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V ‘ 3 1 2 9 3 0 0 7 ' I v . \ r — i 4 f T h i s i s t o c e r t i f y t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n t i t l e d D e v e l o p m e n t a n d M e c h a n i c a l C h a r a c t e r i z a t i o n o f C a r b o n F i b e r R e i n f o c e d C e n e n t C o m p o s i t e s & M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s a n d S t r u c t u r a l A p p l i c a t i o n s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e p r e s e n t e d b y M o h a m a d Z i a d B a y a s i h a s b e e n a c c e p t e d t o w a r d s f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r D o c t o r o f W d e g r e e i n — C i u i l — E n g . i n e e r i n g D r . P a r v i z S o r o u s h i a n \ \ ? fi \ 5 \ M a j o r p r o f e s s o r D a t e S / [ I / 3 ? M S U i s a n A f fi r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n 0 - 1 2 7 7 1 P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e d u e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E M S U I s A n A f fl r m d l v e A c t i o n / E w e ! O p p o r t u n i t y l n e t l t u t l o n c M W i D E V E L O P M E N T A N D M E C H A N I C A L C H A R A C T E R I Z A T I O N O F C A R B O N F I B E R R E I N F O R C E D C E M E N T C O M P O S I T E S & M E C H A N I C A L P R O P E R T I E S A N D S T R U C T U R A L A P P L I C A T I O N S O F S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E b y M o h a m a d Z i a d B a y a s i A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l fi l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 8 9 D E V E L O P M E N T A N D M E C H A N I C A L C H A R A C T E R I Z A T I O N O F C A R B O N F I B E R R E I N F O R C E D C E M E N T C O M P O S I T E S b y M o h a m a d Z i a d B a y a s i V o l u m e I o f A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g v 3 A B S T R A C T D E V E L O P M E N T A N D M E C H A N I C A L C H A R A C T E R I Z A T I O N O F C A R B O N F I B E R R E I N F O R C E D C E M E N T C O M P O S I T E S B y M o h a m a d Z i a d B a y a s i B a s e d o n a c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s i n c o r p o r a t i n g t h e A s h l a n d ' s i n d u s t r i a l g r a d e c a r b o n f i b e r s ( C a r b o f l e x ) , t h e o p t i m u m m i x v a r i a b l e s a n d . p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s w e r e d e c i d e d . T h e t y p e s a n d p r o p o r t i o n s o f d i f f e r e n t m i x c o n s t i t u e n t s , t h e f i b e r l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s , a n d t h e m i x i n g a n d c u r i n g p r o c e d u r e s w h i c h p r o d u c e d e s i r a b l e f r e s h m i x p r o p e r t i e s a n d s u p e r i o r h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e w e r e d e c i d e d . A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l d a t a s e t o n t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s a l s o g e n e r a t e d . T h e r e s e a r c h w a s p e r f o r m e d i n t h r e e p h a s e s : ( 1 ) E s t a b l i s h m e n t o f t h e m i x i n g p r o c e d u r e a n d m i x p r o p o r t i o n s f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ; ( 2 ) A s s e s s m e n t o f t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s o n t h e s t r e n g t h o f a i r c u r e d s p e c i m e n s a n d f u r t h e r o p t i m i z a t i o n o f t h e m i x p r o p o r t i o n s f o r a c h i e v i n g s u p e r i o r s t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c s i n a d d i t i o n t o t h e d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y ; a n d ( 3 ) O p t i m i z a t i o n o f t h e c u r i n g c o n d i t i o n a n d f u l l m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h s o m e o p t i m u m v a l u e s o f f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n . T h e f r e s h m i x i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s c h a r a c t e r i z e d b y f l o w , a n d a l s o s u b j e c t i v e m e a s u r e s o f w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . T h e h a r d e n e d m a t e r i a l w a s c h a r a c t e r i z e d b y t e n s i l e , f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , e n e r g y o b s o r p t i o n a n d t o u g h n e s s a n u i i n i t i a l s t i f f n e s s ; a n d a l s o b y i m p a c t r e s i s t a n c e . T h e r a t e o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e w a s a n o t h e r c r i t e r i o n f o r t h e e v a h u n fl o n o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . T o m y e v e r l o v i n g a n d c a r i n g m o t h e r a n d f a t h e r G h a d a B a z a r b a s h i a n d F a y e z B a y a s i i v A C K N O W L E D G M E N T S T h e w o r k p r e s e n t e d h e r e w a s c o n d u c t e d u n d e r t h e g u i d a n c e o f D r . P a r v i z S o r o u s h i a n . T h e a u t h o r d e e p l y a p p r e c i a t e s t h e c o n t r i b u t i o n s o f D r . S o r o u s h i a n t o t h i s w o r k . H i s g r e a t e f f o r t a n d v e r y h e l p f u l s u p e r v i s i o n a n d a d v i s e w i l l n e v e r b e f o r g o t t e n , a n d t h e a u t h o r w i s h e s t o h o p e t h a t D r . S o r o u s h i a n w i l l c o n t i n u e t o b e h i s m e n t o r . T h e a u t h o r a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k D r . W i l l i a m C . T a y l o r , D r . L a w r e n c e T . D r z a l a n d D r . G e o r g e M a s e f o r t h e i r h e l p d u r i n g h i s d o c t o r a l p r o g r a m . T a b l e o f C o n t e n t s P a g e A B S T R A C T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I A C K N O W L E D G E M E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I I T A B L E O F C O N T E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I V L i s t o f F i g u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V I I L i s t o f T a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ’ . . . . X V I I C H A P T E R 1 : I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 C H A P T E R 2 : O P T I M I Z A T I O N O F M I X P R O P O R T I O N S F O R F R E S H M I X W O R K A B I L I T Y A N D H A R D E N E D M A T E R I A L S T R E N G T H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 . 2 R e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 a . F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 b . H a r d e n e d M a t e r i a l S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 . 3 E x p e r i m e n t a l P r o g r a m o n F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . 2 1 a . M i x I n g r e d i e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 b . M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 c . M a n u f a c t u r i n g T e c h n i q u e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 d . A s s e s s m e n t o f t h e W o r k a b i l i t y a n d F i b e r D i s p e r s a b i l i t y o f F r e s h M i x e s . . . . . . . . . . . . . . 2 6 2 . 4 F r e s h M i x T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 a . F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 b . F i b e r L e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 c . S i l i c a F u m e C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 d . W a t e r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 e . S u p e r p l a s t i c i z e r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 f . V a r i a b i l i t y o f F i b e r L e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 g . E f f e c t o f T i m e o n F r e s h M i x F l o w a b i l i t y . . . . 4 6 2 & 5 E x p e r i m e n t a l P r o g r a m o n t h e H a r d e n e d M a t e r i a l S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 2 . 6 T e s t R e s u l t s o n t h e H a r d e n e d M a t e r i a l S t r e n g t h . 5 3 a . E f f e c t s o f C a r b o n F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . . . . 5 4 b . E f f e c t s o f F i b e r L e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 v i C H A P T E R 3 : C H A P T E R 4 : C H A P T E R 5 : C H A P T E R 6 : c . E f f e c t s o f M i c r o s i l i c a C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . d . E f f e c t s o f W a t e r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . E f f e c t s o f A g e o n t h e S t r e n g t h o f A i r - C u r e d S p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f . R e l a t i v e V a l u e s o f S t r e n g t h U n d e r D i f f e r e n t S t r e s s S y s t e m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g . S c a t t e r o f T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . 7 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E X P E R I M E N T A L P R O G R A M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 2 M a t e r i a l s , M a n u f a c t u r i n g a n d C u r i n g . . . . . . . . . . . . . 3 . 3 T e s t P l a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f H a r d e n e d C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b . D e v e l o p m e n t o f S t r e n g t h w i t h T i m e . . . . . . . . . . F L E X U R A L P E R F O R M A N C E C H A R A C T E R I S T I C S . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b . F i b e r L e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . F i b e r T e n s i l e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d . C a r b o n F i b e r T y p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e . M a t r i x M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f . M i x i n g P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g . C u r i n g P r o c e d u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h . S p e c i m e n G e o m e t r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 3 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s G e n e r a t e d i n t h e S t u d y . . . . 4 . 4 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T E N S I L E P E R F O R M A N C E C H A R A C T E R I S T I C S . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 3 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 . 4 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C O M P R E S S I V E B E H A V I O R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i P a g e 5 8 6 5 6 5 6 5 6 8 6 8 7 2 7 2 7 3 7 4 7 4 7 7 7 8 7 8 ‘ P a g e 6 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 8 6 . 3 E x p e r i m e n t a l R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 6 . 4 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 C H A P T E R 7 : I M P A C T R E S I S T A N C E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 7 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 7 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 7 . 3 T e s t P r o c e d u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 7 . 4 T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 7 7 . 5 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2 C H A P T E R 8 : S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 8 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 5 8 . 2 F r e s h M i x P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 6 8 . 3 H a r d e n e d M a t e r i a l S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 7 8 . 4 F l e x u r a l C h a r a c t e r i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 8 8 . 5 T e n s i l e C h a r a c t e r i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 0 8 . 6 C o m p r e s s i v e B e h a v i o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2 8 . 7 I m p a c t C h a r a c t e r i s t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3 R E F E R E N C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 6 v i i i n . 1 5 o m f ) c i a - o m i R t o r e a b e t a o - l u l i 2 n / r r , s 7 - n c 1 m m e n r d m i o i l , e e n n l v n s i e - x S l u l . . g o t i 0 n l o 4 i - P t l u h e o m s e c 3 i l 4 2 - a f , 5 e s . f f ( , i n w l W f a m a o c e t r r u w m x 5 . . . n m l n i 5 f O - o b B f e , c f r u o o f t e s o w i e M d - E c V p w f a o a E t c v f h e o f r w t e b d e - f e m l t n w r c o e r e u e c f m s r a , t l e t n r O M E t m f e a F n . . . ( a a b c M 3 b e c s e b f t n i d F T C t r o . . t i i r e 7 l e o a v i s l a e n m r e x d x s p c r w c 3 a r m C , a r e i L t i c b - f e a , i o r n c ( i r e r h a d t h u t c s v t . s i r v l i a b e d r t r e - e r c w g l . n s e t c i b b o w e f 0 a a f e y r l n s a e s x l e i l g f e l r i r o s m a n l a u i r S c h e m a t i c d r a w i o ( u b a m c c 7 y f t i f l i A ) d 1 0 n d i t p o h r m M n . o i P e m o p x a - R e a t , g . 9 f 2 i e r ’ c t a 1 a h ' i 1 l m o r n r f n c f o o b r a e f m c l i e e l b d o n b u i e c b - ( o i r n b V f e e f i d f r ) r c n , e t o r i e e n r n 0 v m S e o e n M n a r t e h e , l g g - C l g g u t e r i n d . m h n n ( L 5 s - , t f e f 5 V o ) % l - r . . a 1 l e a . . . v i m ) . . . . . o t r . . l o v m m . . . . . w u m t - K r s . . . . . . . . . . . . t a e s i 0 i . . . . . b . . . t x . . . l f r 4 - . . . . . . . . e r m . . . d L n n o e n s f p f b e r i r e - m f ) i t h e n h . n n g t g t r e s 1 a e . . g t s n 0 i . . h . . . . g . . o . . f . . . . f i f g . . n f r , e ( W c - a i n . 6 i . . . . . . . . ? c x n . . ? n f r n o , o i m e s t c i h e o b e i n y n t g 1 r i u t , 1 t , e n 6 i i 2 . . . m i x . . . . 4 . . . . . . m . . . e . m . . r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 8 9 0 2 5 2 8 F i g u r e 1 . 1 1 . 2 1 . 3 2 . 1 2 . 2 2 . 3 2 . 4 2 . 5 2 . 6 L i s t o f F i g u r e s P a g e S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f a c r a c k t r a v e l i n g t h r o u g h a c o m p o s i t e m a t e r i a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 S o m e a p p l i c a t i o n s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n J a p a n . 5 a . C l a d d i n g p a n e l s o f a h i g h - r i s e o f f i c e b u i l d i n g . . . . . . . . 4 b . T i l e p a n e l s f o r A l — S h a h e e d M o n u m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 C a r b o n f i b e r v s . s t e e l f i b e r s p a c i n g i n c e m e n t m a t r i c e s . a n d i t ' s e f f e c t o n t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . a . S t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 b . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 S c h e m a t i c d r a w i n g o f O m n i m i x e r . i § . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 m i x e r ) a . W a t e r r e d u c i n g a g e n t ( W R A ) ( s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 3 ) . 1 6 b . S i l i c a f u m e ( w a t e r r e d u c i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 4 ) . . . . . . 1 6 i x F i g u r e P a g e 2 . 7 E f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 . 8 E f f e c t s o f f i b e r l e n g t h ( L f ) o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 2 3 E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t C H 1 f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 2 % ) 1 i n - 2 5 . 4 m m a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 2 . 1 0 E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 , a n d f i b e r V o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 2 % ) l i n - 2 5 . 4 m m . a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 2 . 1 1 E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 2 % ) l i n - 2 5 . 4 m m a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . 4 4 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 2 . 1 2 T y p i c a l v a r i a t i o n s i n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t d u e t o v a r i a t i o n s i n f i b e r l e n g t h ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 , a n d f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 5 i n ) 1 i n — 2 5 . 4 m m a . F l o w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 2 . 1 3 E f f e c t o f t i m e o n f l o w o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 ” ' 0 0 ” “ 0 0 F i g u r e 2 . 1 4 2 . 1 5 2 . 1 6 2 . 1 7 2 . 1 8 4 . 1 P a g e A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( w a t e r / i b i n d e r - 0 . 3 0 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . F l e x u r a l s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 , s i l i c a . f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . F l e x u r a l s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b . T e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f m i c r o s i l i c a c o n t e n t o n s t r e n g d i o f c a r b o n f i b e r c e m e n t ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % , f i b e r l e n g t h - 1 / 8 i n . a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a F l e x u r a l s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % , f i b e r l e n g t h - 1 / 8 i n , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . F l e x u r a l s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b . T e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A v e r a g e t r e n d s i n s t r e n g t h d e v e l o p m e n t f o r a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f l e x u r a l . b e h a v i o r o f c e m e n t c o m p o s i t e s . l h ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i 1 1 - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r - c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i 5 5 5 6 5 7 5 9 6 0 6 1 6 2 6 3 6 6 6 6 6 7 8 0 8 1 8 1 F i g u r e 4 . 2 4 . 3 4 . 4 4 . 5 4 . 6 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 2 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n c u r v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4 E f f e c t s o f f i b e r t e n s i l e s t r e n g t h o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 7 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , s i l i c a s a n d / c e m e n t - 0 . 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 5 , d e f o a m i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % , m i x i n g b y O m n i ' m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m - a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n c u r v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6 b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7 c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 7 E f f e c t o f c a r b o n f i b e r t y p e o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 b . F l e x u r a l t o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 E f f e c t s o f m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r c e m e n t . l a ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ; M i x 1 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 0 a n d w a t e r r e d u c e s / c e m e n t - 0 . 0 2 ; a n d M i x 2 : w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 1 b . i n - 1 1 4 N . m m a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . 9 2 b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3 E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , w a t e r r e d u c i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 8 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 5 % , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . 9 4 x i i E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l F i g u r e 4 . 7 4 . 9 4 . 1 0 4 . 1 1 E f f e c t s o f f l y a s h a n d f o a m i n g a g e n t c o n t e n t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f l i g h t w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - 1 l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e c o n t e n t ( b y v o l u m e o f c e m e n t + f l y a s h ) - 0 . 3 a n d s i z e - 0 . 0 5 - 0 . 1 i n - 1 . 2 - 2 . 5 m m , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 5 % , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f l a t e x o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( w a t e r / c e m e n t w a s v a r i e d t o o b t a i n a c o n s t a n t w o r k a b i l i t y f o r a l l m i x e s , f l y a s h / c e m e n t - l , l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e c o n t e n t ( b y v o l u m e o f c e m e n t + f l y a s h ) - 3 0 % a n d s i z e - 0 . 0 5 - 0 . 1 i n - 1 . 2 - 2 . 5 m m , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r u d x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f s i l i c a s a n d s i z e a n d c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . l 7 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 5 , d e f o a m i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 0 0 5 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 0 . 0 3 , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m ' a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n a l " ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g i n O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y a i r c u r i n g ; M i x 1 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 5 , a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 ; M i x 2 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 6 2 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 2 4 a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 1 . 6 % ; a n d M i x 3 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r - 0 . 2 5 , a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 ) . l i n ' - 2 5 . 4 m m , 1 R s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i i P a g e 9 5 9 7 9 8 9 9 9 9 . 1 0 1 . 1 0 2 . 1 0 2 1 0 4 s r c E K b s l a f t e p e e s . . r i f e i m n e g e e n c F F c n f i - l l E c 6 a c 0 c F - m f a . l o a i . . r 9 f 2 e r n 2 x b 3 e P x b 5 d e c o . o M , l n t i r t g o m e e t h e 6 x x s t r h c - n . u u o e - . d a a 0 r r 9 a f d 7 i M l l 1 n 0 m P d d m . e a s t , o 4 n i t o f t r s r u f o m t i e g e u e a o i n h n P u t n 4 a t s i s a r i f s o n b . e b d , c e r . r e e . . p s 1 l r m i . l i p n m o f a . f u a m n s e . o l p p . a r a e R r n ( e . e d s c i e t c . i t i i p i w - a i . n i m n t n d i . . t 1 . l m e n . f c e - f t i e . o n i o e o f . r z 4 r r u c . c / e d . l s e e . e b 5 r i s d c m . d i / m . t i a n b e K z c . N t c d i i n e . e . r o e e n s o n m . i n r m d i e . x e e o n . n r n t . r - t s . . . . e - . h 6 . a i . 0 . e . 3 t x . 1 . m 0 - . l i e . , 0 . . . f s 5 o 3 . . c i l i . s n 2 . n . e s . , x - . u l x h . . r m i u i 1 . r p e c i a l 2 . 5 . s d a x . . 5 . . . . i x . 4 . o n i f . s . u 4 f n g . t m . m . . . e i i / y n i b g t 1 . i n . f f m n ) K d . e e o . . . . . m . , . d d e b 8 . h s . e 1 r r r . . o n n a . i e e t r . . r g t r n g n . s t e e h h n n y - 4 s - 1 h s t e l . . . s 0 c c . w . . s 1 0 ( . . u a e 4 . . r o t l m . . e x i f l m . . n u r , . . g l l c i o . . . / 1 . . e m 6 . . p g m s r e h e o / t n . . c t c i - 4 . . e e n w . . x x . . d g - m e i . . u i e n . . r ) g b 1 n . . e . h y t . . s 1 t 3 1 . . . . - , O o i . . n c m n . . m 0 n a . . i . i r t - . . b h c 0 . . e r 0 . . m 2 n f , . b . . x i 5 o 9 . . f e l f r e . . x l m . . i u o m i . . b r o b a , . . a e n n e . . o r l a 4 . . f f r . . i l / r d 1 f - t t r - n . . F i g u r e 4 . 1 2 4 . 1 3 4 . 1 4 4 . 1 5 4 . 1 6 4 . 1 7 E f f e c t s o f d i f f e r e n t c u r i n g p r o c e d u r e s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x . 4 i n ; p i t c h - b a s e d f i b e r s : t e n s i l e s t r e n g t h - 1 1 0 K 5 1 , e l a s t i c m o d u l u s ( E ) - 5 3 4 4 K s i , d i a m e t e r - 1 4 . 5 m i c r o n s a n d e l o n g a t i o n - 2 . 1 % ; a n d p a n - b a s e d f i b e r s : t e n s i l e s t r e n g t h - 4 5 0 K s i , e l a s t i c m o d u l u s ( E ) - 3 2 , 4 3 6 K s i , d i a m e t e r - 7 m i c r o n s a n d e l o n g a t i o n - 1 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) . . . . . . . . . . . . . . . . b . F l e x u r a l t o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 8 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - , 1 / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 5 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f f i b e r r e i n f b r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s i n d e x u n d e r f l e x u r a l l o a d i n g c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 1 b . i n - 1 1 4 N . m m a . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b . T o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i v 1 0 5 1 0 5 1 0 7 1 0 8 1 0 8 1 1 0 1 1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 7 1 1 8 F e i 4 g . u 1 r 8 E c o s b a o f f . t . f n r d e e f I F r i t i t g i n c n i t i r o s h s t s o s - n t . i t a - l c f c 1 r n a f i l c o r f a i c n e k t b k x h - e u s e r t r i 5 l e f l 2 a r i i u r e n . e x t 4 a r n m s g t t i h n f a l m o l f u , f / f r n l c s l 1 e t t l g a n n . m r u b 1 s m r e . e . a t . e t n i . p s h r t - o i t - . s . t . r . e f o p n . f e . 1 - g u r . n 1 t s t l . e 4 h s N i . t . e . i . . s m a a n m . . . . . . t d m a . . e n . . d . t . c u r i h f . . e l . . e . . r x . . a u . . r t . . n i . a . g o l . . P a g 1 1 2 2 e 0 1 5 . 5 m w T m e i , n t s h 1 i l K e s i p e l o w - r w f a 6 o t . r e 9 m r M n P c a e a . a . c t . r r . . . . . . . . . o m f e n - c e b a o t n i o f . e t s i e . x . . i l . b a . e . r . . . . r a e t ( w . i . n . f . o e r / c e . . . . . . r m c e e n d t . c . e . m - 0 . . . . . 1 3 2 e 3 n 0 t , 4 . 1 9 F l e x u r a l s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c u r e d i n d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 5 . 1 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ’ s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d 7 d a y s a i r - c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . O v e r a l l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 5 . 2 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r t y p e ( m a t e r i a l a n d g e o m e t r i c p r o p e r t i e s ) o n t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 2 4 x 1 . 1 8 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . O v e r a l l s t r e s s - s t r a i n c u r v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9 b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9 5 , 3 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 2 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 0 5 . 4 E f f e c t s o f m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s . 6 ’ l z fi l a ( s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n ) 1 l J I ' - 2 5 . 4 w a t e r r e d u c e r / c e m e n t - 0 . 0 2 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i 6 . 9 M P a a . D i r e c t t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 b . E c s E c t f t o f o e n r f f n n F 1 e e e d s i / b 8 d n c c i i i g t t t l e t t r i i h s s i e s o n o . n v l o . n o o . l . u . m . e . f s f o s a f 1 d f o i i o i n n b b i n f . r e t r h . e n g r . a . c . t . r e i h t - e 2 r e c o n 5 e e d i . i . n i o . n . . f l u n 4 n t e f r i t o m o o g . r ( r y i m n V . f . ) . . e e e c m , e a m t 1 e a m b c s . 3 . t a 1 t - . K s . 5 n o n 1 . r % . n , . p d - p t r - i r i p n . o 6 f f o i . p . i p o 2 . 9 n b . r e e 5 . M e r s r . P r t t t c . a i - i a . 4 m l . s . e c e p m e . r s , a t n k n . g . . a . . c a c . i a 1 h . . . d . l d y t . . b . . n t ( . c e c L . u n f . r s i i . i n l e . n . u . u . r n i d n / i n ) . . . - g e . g r F i g u r e 5 . 6 5 . 7 5 . 8 5 . 9 5 . 1 0 5 . 1 1 5 . 1 2 P a g e E f f e c t o f a u t o c l a v e c u r i n g o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . l 4 ’ 1 5 ( M i x i n g i n O m n i m i x e r ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 E f f e c t s o f a u t o c l a v e c u r i n g o n t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s s i t e s . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i f “ i n i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 5 E f f e c t s o f p o l y m e r i m p r e g n a t i o n o n t h e t e n s i l e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f a u t o c l a v e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . l s ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d s p e c i m e n f s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 2 4 x 1 . 1 8 i n ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . a . S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 b . T e n s i l e s t r e n g t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s . ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 3 2 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - l x 1 i n ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . P l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 5 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - l / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 - 0 . 0 0 7 N . m m / m m 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e i n t i a l s t i f f n e s s u n d e r d i r e c t t e n s i o n . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x v i 1 3 8 1 3 9 1 4 0 1 4 1 1 4 2 1 4 4 1 4 4 F i g u r e 6 . 1 6 . 2 6 . 3 6 . 4 6 . 5 6 . 6 6 . 7 P a g e E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n . l a ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 9 b . C o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 0 c . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 0 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f l i g h t - w e i g h t c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n . 1 “ ( w a t e r ) c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i t e r a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 1 b . C o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 c . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 E f f e c t s o f f o a m i n g a g e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - l , l i g h t - w e i g h t s a n d / c e m e n t + f 1 y a s h - 0 . 3 ( b y v o l u m e ) , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , b r o k e n f l e x u r a l s p e c i m e n s 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n w e r e u s e d f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t s a n d a u t o c l a v e c u r i n g w a s e m p l o y e d ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 4 E f f e c t s o f l a t e x o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - 1 , l i g h t w e i g h t s a n d / c e m e n t + f l y a s h - 0 . 3 ( b y v o l u m e ) , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d a u t o c a l v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 5 E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ) " 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . 1 5 6 E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 R s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 E f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 2 ( w a t e r / c e m e n t . 0 . 3 , s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g i n m o r t a r m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . 1 5 9 x v i i E f f e c t s o f f i b e r t y p e a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t i t l e S F i g u r e 6 . 8 6 . 9 6 . 1 0 6 . 1 1 6 . 1 2 6 . 1 3 7 . 1 7 . 2 7 . 3 E f f e c t s o f f i b e r t y p e a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l . c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g i n O m n i m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 0 c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c a r b o n f i b e r c e m e n t . ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l . c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g i n O m n i m i x e r a n d c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) 1 i n ' 2 5 - 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 1 E f f e c t s o f s p e c i m e n g e o m e t r y o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 6 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . . . . 1 5 3 C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r c a r b o n f i b e r ' r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s ( w a t e r / b i n d e r - 0 : 3 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r [ b i n d e r - 0 . 0 3 2 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a a . P l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 4 b . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 8 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . c . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 6 d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 5 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 5 1 6 7 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c u r e d z k i d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . 1 6 9 E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n / i n 3 - 0 . 0 0 7 N . m m / m m 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 0 E f f e c t o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . 1 2 ’ 4 3 1 i n - 2 5 . 4 m m a . S t e e l f i b e r C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 4 b . C a r b o n f i b e r c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 4 I m p a c t t e s t d e v i c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 I m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s ( 1 b l o w - 1 5 1 b . f t i m p a c t e n e r g y ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m . . . . . . . . . . . . . 1 7 9 x v i i i L i s t o f T a b l e s T a b l e P a g e 1 . 1 C o s t a n d p r o d u c t i o n e n e r g y d e m a n d o f p o r t l a n d c e m e n t v s o t h e r m a t e r i a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 . 1 T y p i c a l m i x p r o p o r t i o n s u s e d f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d . c e m e n t c o m p o s i t e s . ? ! § ! i ? : i ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2 . 2 C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r d i s p e r s a n t s o r a g g r e g a t e s i n c e m e t i t i o u s m a t r i c e s . ? ! § ! . l ? : l ? . . . . . . . . . . . 1 3 2 . 3 P h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e K u r e h a p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r . l ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . . . . . . 1 3 2 . 4 A s h l a n d ' s p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r . ? § . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 . 5 T y p i c a l p r o p e r t i e s o f t y p e I r e g u l a r p o r t l a n d c e m e n t . ? l . . . . 2 3 2 . 6 C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f g r a d e E M S 9 6 0 s i l i c a 2 2 f u m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 ‘ 2 . 7 R a n g e s o f m i x p r o p o r t i o n s i n t h e f r e s h m i x e x p e r i m e n a l p r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 . 8 C r i t e r i a f o r q u a l i t a t i v e e x p r e s s i o n s o f f r e s h m i x t e s t r e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 2 . 9 M i x p r o p o r t i o n s f o r t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o n s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 3 . 1 T e s t p l a n f o r h a r d e n e d m a t e r i a l m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . . . . . . 7 6 7 . 1 I m p a c t T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 8 x i x C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N 1 . 1 . G e n e r a l W o r l d u s e o f h y d r a u l i c c e m e n t i s c l o s e t o 1 b i l l i o n t o n s p e r y e a r , a n d t h i s f i g u r e i s p r o p o s e d t o d o u b l e b y t h e e n d o f t h i s c e n t u r y . 1 ’ 2 T h e l o w c o s t a n d l o w p r o d u c t i o n e n e r g y d e m a n d o f p o r t l a n d c e m e n t ( s e e T a b l e 1 . 1 ) , a n d t h e r e a d y a v a i l a b i l i t y o f i t s r a w m a t e r i a l s ( l i m e s t o n e , c l a y , e t c . ) p r o v i d e t h e i n c e n t i v e s f o r o p t i m i z i n g , t h e s t r e n g t h , t o u g h n e s s a n d d u r a b i l i t y o f h y d r a u l i c c e m e n t f o r i t s c o n v e n t i o n a l u s e a n d n e w a p p l i c a t i o n s a s r e p l a c e m e n t s f o r p l a s t i c s a n d m e t a l s . T a b l e 1 . 1 : C o s t a n d p r o d u c t i o n e n e r g y d e m a n d o f ’ p o r t l a n d c e m e n t v s . o t h e r m a t e r i a l s . S p e c i f i c G r a v i t y A p p r o x i m a t e P r i c e E n e r g y o f P r o d u c o M a t e r i a l ( l b s / f t ' ) ( S / K i p s ) t i o n ( O J / K i p s ) P o r t l a n d C e m e n t 1 5 4 3 4 3 . 7 P o l y e s t e r 8 0 6 8 8 4 5 . 9 - 6 8 . 8 P o l y e t h y l e n e 6 2 4 5 9 4 5 . 9 - 6 8 . 8 G l a s s 1 5 4 9 7 2 9 . 2 - 1 1 . 5 S t e e l 4 8 8 2 1 1 2 3 . 6 A l u m i n u m 1 6 7 7 3 4 9 1 . 8 1 i n . - 2 5 . 4 m m , 1 1 b - 4 5 3 . 7 g I n o r d e r t o o p t i m i z e c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s , m e a s u r e s s h o u l d b e t a k e n t o o v e r c o m e t h e i r b r i t t l e m a n n e r o f f a i l u r e u n d e r t e n s i l e a n d i m p a c t l o a d s . F i b e r r e i n f o r c e m e n t i s a n e f f e c t i v e m e t h o d f o r i m p r o v i n g t h e t o u g h n e s s a n d d u c t i l i t y o f p o r t l a n d c e m e n t p r o d u c t s . 3 B r o a d l y , t h e r e a s o n w h y b r i t t l e c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a r e s t r e n g t h e n e d b y u n i f o r m l y d i s p e r s e d s h o r t f i b e r s i s t h a t c r a c k s a r e s t o p p e d o r d e f l e c t e d b y t h e p r e s e n c e o f f i b e r s . 1 F e . a c 1 i t s l s u r ( h o e e w g . s i . t n h m e f i i b e r c m r e o c c h r a a n f r c i e k s i s m , n s c t o m o r a f e r c d i r x a c c m l e k f e a a n w r t s r , i e t s i e t o t u c b s . y ) s t c s o h i m o n p r o t i h t e f i e b s e e t m a r s . m a n a t e e r i a l s . f F r i o g m u r d e e f 1 F i g u r e 1 . 1 : S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f a c r a c k t r a v e l i n g t h r o u g h a c o m p o s i t e m a t e r i a l . I n 1 9 7 0 , 4 m i l l i o n t o n s o f a s b e s t o s f i b e r s w e r e u s e d w o r l d w i d e t o r e i n f o r c e c e m e n t i n t h e p r o d u c t i o n o f c o r r u g a t e d r o o f i n g p a n e l s , s i d e p a n e l s a n d p i p e s . “ T h e h e a l t h h a z a r d s a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f a s b e s t o s f i b e r s , h o w e v e r , h a s l e d t o s u d d e n d r o p i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h i s e n o r m o u s l y s u c c e s s f u l c e m e n t r e i n f o r c e m e n t . V a r i o u s t y p e s o f f i b e r s a r e n o w u n d e r s e r i o u s c o n s i d e r a t i o n t o s u b s t i t u t e a s b e s t o s . L o w - m o d u l u s c a r b o n , g l a s s , a n d K e v l a r s . 8 a r e t h e f i b e r s t h a t , f r o m t h e p o i n t s o f v i e w o f p r i c e a n d e f f e c t i v e n e s s i n b r i t t l e c e m e n t m a t r i c e s , a r e n o w c o n s i d e r e d a s p r i m e c a n d i d a t e s t o s u b s t i t u t e a s b e s t o s i n c e m e n t . A m o n g t h e s e , l o w - m o d u l u s c a r b o n f i b e r i s t h e o n l y o n e w h i c h p r o v i d e s s u f f i c i e n t l y d u r a b l e c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s a t a r e a s o n a b l e c o s t , w h i l e g l a s s f i b e r s a n d a l s o K e v l a r a r e p r o n e t o d e t e r i o r a t i o n i n t h e a l k a l i n e e n v i r o n m e n t o f c e m e n t . T h e r e l a t i v e c o s t - e f f e c t i v e n e s s l o w - m o d u l u s c a r b o n f i b e r s , t o g e t h e r w i t h t h e i r s u p e r i o r d u r a b i l i t y , s h o w t h e i m p o r t a n t p o t e n t i a l s o f c a r b o n f i b e r s f o r s u b s t i t u t i n g d u f o r t h e p r o a F b f r n m d f g i g g u e i e o a i i e b t i b m t r r r n e i e n e r f e r i e n n s o s s , e r 1 i n c g s e ) c s s i . o e T t , v c a e o 2 a m h n h n e e a s n a d u c t i o n o f s t r c t u r e a l e l e m e n d t p a f g r p d c f t h c l e l i l u a e o r i i f c o g f c i s a a u n n d h e a t c t b i i e e l t n k s d - t c a o l w i y l s u p r a t n s s a a i e v i t , ) o c b i e t n s u c h a s f l o o r p l a g n y a e . f i l h e 5 t s e s n e a c g s n p a n b v e d T e o h c f e r d o o i c b r f i n o n i n f i r l e i m c i n i - b r a o a t w p g e h n v f b g i e t o v e p l e e m s o u o l t i f o r f m s h o o f d f a u r t l i c s e c i m m f e o s m e i u a m i n a r e f c d s ( e c n e e n n l c c t l a n k s a n d c e s n t s t r e a m y o t f t c i i i ( h a s b v e o a n t n s e e , i i n i o b o u e u o s r s f a o e n s i r i l b o y n e n s e c r e i r u , e h s t h e . t h t e n t f d n t r e o r n r a t k e l a e h e l v g a y e f t a s s e i l y o h d o o r d r s r e o m e o t e a t b n c o a r r h m y e s e o b e e m o h f l i y e n i i t r n s a n g t e h i f r s o t v f t 3 a s b e s t o s i n c e m e n t p r o d u c t s . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , d u e t o t h e d e s i r a b l e d u r a b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r s , m a y a l s o f i n d a p p l i c a t i o n s i n r e p a i r a n d r e h a b i l i t a t i o n p r o j e c t s . T h i s c o u l d p r o v i d e t h i s m a t e r i a l w i t h a v a s t m a r k e t t h a t i s g r o w i n g r a p i d l y ( m o r e t h a n 4 0 % o f t h e c o n s t r u c t i o n s p e n d i n g s i n d e v e l o p e d c o u n t r i e s i s o n r e p a i r a n d r e h a b i l i t a t i o n r a t h e r t h a n n e w c o n s t r u c t i o n p r o j e c t s ) . 1 ’ 9 1 . 2 . R a c i s m T h e u s e o f c o n t i n u o u s h i g h m o d u l u s c a r b o n f i b e r s f o r r e i n f o r c i n g c e m e n t w a s c o n s i d e r e d d u r i n g t h e 1 9 6 0 ' s a n d e a r l y 1 9 7 0 ' s c o r r u g a t e d p a n e l s . 1 0 ' 1 1 T h e d e v e l o p m e n t o f l o w - c o s t , l o w - m o d u l u s c a r b o n f i b e r s i n t h e r e c e n t y e a r s p r o v i d e d t h e i n c e n t i v e s f o r c o m m e r c i a l i z i n g c e m e n t p r o d u c t s r e i n f o r c e d w i t h s h o r t u n i f o r m l y d i s p e r s e d c a r b o n f i b e r s i n J a p a n . 1 2 ' ] ' 7 C u r r e n t a p p l i c a t i o n s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n J a p a n i n c l u d e c l a d d i n g p a n e l s f r e e a c c e s s f l o o r p a n e l s , r e p a i r a n d p r o t e c t i v e c o a t i n g o f s t r u c t u r a l e l e m e n t s i n m a t r i c e s . W h e n c r a c k s s t a r t t o p r o p a g a t e i n b e t w e e n i n t e r n a l f l a w s o f a . C l a d d i n g p a n e l s o f a h i g h - r i s e o f f i c e b u i l d i n g b . T i l e p a n e l s f o r A l - S h a h e e d M o n u m e n t . F i g u r e 1 . 2 : S o m e a p p l i c a t i o n s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n J a p a n . 5 5 m a t r i x a n d t h e m i c r o c r a c k s o f a g g r e g a t e - m a t r i x i n t e r f a c e , i t i s i m p o r t a n t t o h a v e f i b e r s l o c a t e d i n b e t w e e n t h e f l a w s a n d m i c r o c r a c k s i n o r d e r t o s t o p o r d e f l e c t t h e p r o p a g a t i n g c r a c k s . S t e e l f i b e r s , a t t y p i c a l s p a c i n g s o f a b o u t 0 . 2 i n . ( 5 m m ) , a r e t o o f a r a p a r t t o e f f e c t i v e l y i n t e r a c t w i t h m i c r o c r a c k s ( F i g u r e 1 . 3 . a ) , a n d t h u s a r e o n l y m o d e r a t e l y e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . C a r b o n f i b e r s w i t h t y p i c a l s p a c i n g s o f a b o u t 0 . 0 0 4 i n . ( 0 . 1 m m ) , e n c o u n t e r t h e p r o p a g a t i n g m i c r o c r a c k s m o r e f r e q u e n t l y a n d t h u s e f f i c i e n t l y s t o p o r d e f l e c t t h e m i c r o c r a c k s ( F i g u r e 1 . 3 . b ) . T h i s i s t h e m a i n r e a s o n f o r t h e e f f i c i e n c y o f c a r b o n f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . D e s i r a b l e b o n d i n g o f c a r b o n f i b e r s t o c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a l s o c o n t r i b u t e s t o t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d p o s t - p e a k d u c t i l i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s ( d u e t o t h e e n e r g y a b s o r b e d d u r i n g p u l l - o u t o f t h e w e l l - b o n d e d f i b e r s f r o m t h e m a t r i x , a s s h o w n i n F i g u r e 1 . 3 ) . T h e e f f e c t i v e m i c r o c r a c k a r r e s t a c t i o n o f c a r b o n f i b e r s n o t o n l y i n c r e a s e s t h e d u c t i l i t y a n d s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r d i r e c t t e n s i o n , b u t a l s o i m p r o v e s t h e g e n e r a l p e r f o r m a n c e o f t h e m a t e r i a l u n d e r e x t e r n a l l o a d a n d e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s , n o t i n g t h a t m o s t e x t e r n a l e f f e c t s d a m a g e c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s i s t h e a p p e a r a n c e a n d g r o w t h o f m i c r o c r a c k s . 1 A n i m p o r t a n t f a c t o r t o b e c o n s i d e r e d i n t h e c o m p a r i s o n o f s t e e l a n d c a r b o n f i b e r s i s t h e d i f f e r e n c e i n t h e t y p e o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s w h i c h g e n e r a l l y i n c o r p o r a t e t h e m . C a r b o n f i b e r s , w i t h t h e i r r e l a t i v e l y s m a l l d i m e n s i o n s , c a n b e c o n v e n i e n t l y d i s p e r s e d i n m a t r i c e s i n c o r p o r a t i n g r e l a t i v e l y s m a l l v o l u m e f r a c t i o n s o f f i n e a g g r e g a t e s w i t h m a x i m u m p a r t i c l e s i z e s o f a b o u t 0 . 0 4 i n . ( 1 m m ) . S t e e l f i b e r s , h o w e v e r , a r e g e n e r a l l y d i s p e r s e d i n c o n c r e t e s i n c o r p o r a t i n g r e l a t i v e l y h i g h v o l u m e f r a c t i o n s o f c o a r s e a g g r e g a t e s w i t h m a x i m u m s i z e s o f t h e a . S t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p l a i n c e m e n t m a t r i x t e n s i l e s t r e s s s t e e l ‘ ° ‘ — - f i b e r ‘ . / r ’ . 0 s t e e l f i b e r ’ ‘ ' . . c o n c r e t e ' ' . . _ _ _ _ _ a r e a t e \ - e ‘ . “ I 8 8 8 p l a i n . . ' o , - . c o n c r e t e \ c r a c k t e n s i l e s t r a i n ' i n t e r n a l f l a w s c a r b o n f i b e r s m i c r o ' - . 7 ‘ — c r a c k s ? f l a w s t e n s i l e s t r e s s c a r b o n f i b e r c e m e n t t e n s i l e s t r a i n b . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i c e s ' 1 . 3 : C a r b o n f i b e r v s . s t e e l f i b e r s p a c i n g i n c e m e n t m a t r F i g u r e a n d i t ' s e f f e c t o n t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . 7 o r d e r o f 0 . 8 i n . ( 2 0 m m ) . T h e d i f f e r e n c e s i n m a t r i x t y p e a l s o l e a d t o d i f f e r e n c e s i n a p p l i c a t i o n f i e l d s . W h i l e c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s f i n d a p p l i c a t i o n s i n p r o d u c t s c o n s i s t i n g o f r e l a t i v e l y t h i n s h e e t s ( w a l l p a n e l s , f l o o r a n d r o o f c o r r u g a t e d s h e e t s , p i p e s , e t c . ) o r i n r e p a i r a p p l i c a t i o n s a t s m a l l t h i c k n e s s e s , s t e e l f i b e r s a r e g e n e r a l l y u s e d i n r e l a t i v e l y t h i c k o v e r l a y s a n d p a v e m e n t s . R e s e a r c h a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w a s i n i t i a t e d i n 1 9 8 6 w i t h t h e s u p p o r t o f t h e A s h l a n d C a r b o n F i b e r D i v i s i o n . T h i s a c t i v i t y l a t e r r e c e i v e d m a j o r s u p p o r t s f r o m t h e U . S . D e p a r t m e n t o f H o u s i n g a n d U r b a n D e v e l o p m e n t , a n d t h e R e s e a r c h E x c e l l e n c e a n d E c o n o m i c D e v e l o p m e n t F u n d o f t h e S t a t e o f M i c h i g a n t o e s t a b l i s h i t s e l f a s a m a j o r r e s e a r c h p r o g r a m i n t h e a r e a o f f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . T h e a c c o m p l i s h m e n t s o f t h e c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t r e s e a r c h t e a m a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y d u r i n g t h e p a s t f e w y e a r s i n c l u d e : ( a ) O p t i m i z a t i o n o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x , f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s a t l o w c o s t ; ( b ) C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e m e c h a n i c a l , s h r i n k a g e a n d d u r a b i l i t y p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ; ( c ) D e v e l o p m e n t o f l i g h t - w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m a t e r i a l s ; ( d ) R e s o l v i n g t h e p r a c t i c a l a n d t h e o r e t i c a l p r o b l e m s r e l a t e d t o t h e a p p l i c a t i o n o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t t o t h i n p a n e l s ; a n d ( e ) I n t r o d u c t i o n o f l a t e x t o c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a h i g h - p e r f o r m a n c e r e p a i r m a t e r i a l . T h e f u n d a m e n t a l a p p r o a c h t a k e n a t M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y t o t h e r e f i n e m e n t o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a s a n d d e v e l o p m e n t o f m e t h o d o l o g i e s f o r i t s a p p l i c a t i o n i n d i f f e r e n t f i e l d s h a s l e d t o a s i t u a t i o n w h e r e t h e c e m e n t p r o d u c t s a n d r e p a i r i n d u s t r i e s c a n e f f i c i e n t l y b e n e f i t f r o m t h e n e w m a t e r i a l . T h e s o u n d b a s i s d e v e l o p e d t r s m n t a l e n e a a a n a m a p c o c p m a o c T u m n h a n e o o t o e i h u e e s c c r f T f s t c a M e e f m e i r n o a l f h a f m e , e p t g t r t s c i s o o i r p o i o r i n r n n r n i x t u r r t s i e l t o e f d p r b e s e e a e o t d i r n m e t m r n m b r p m e n I l n x i i d d e i b a o . r s i l i t e r c t a l o t , r g c d T i f t h a i o w n i e . r h T d n d a e i a h a i i c n s m . a i n h i g c e i n l ‘ s m p e e . b i i e m e , u a l x z S i l d t n e t m u s p h f z i n m p s o t g i o s t t M i d e d r t T i o i s p f e i T s m a p p e m a t a n d i e v e e n c a m d g h t r s O h e e t a r n t c a s s i e t s r l h l e t e r f . p t o s t r a l t b o e s m u o s v o d w p o i o s n i e s e r d o t t U d n e u w g p n e a p o r i o a h r s n e m t r e v e o l v l e a i p e n a h s i i v e f u t r c i x t e n e f t l p r e , . t i k s a p a m o s o e y r l n h f n r c s t i t n , o e t d f f u r 3 o p o g h h r i x r c n e e C e n T h r c r g S a u t i e a i , n s t r s t i t t c s o f t i i h e t a a c p i i d m . a i s u e o n a a b a b o T n e d r e e r t m g n d h s t a b a r m r r e f C t o t t e y n e i b r o r o s C o a t n a a r h i o b f , h n d g r m a a m e n t m o r r h n u a d o e p i c p f v U s t r p n f n o f o f c e e e o r e n i u e e t w r f u z t s o i i f t a f e c e t e t f o e r r e h f b d f r b i i c w n e t m v i p a s t e n e c i e i n o s m i l s r e C n h b o r r t c r r g r r v n e a s h , c c a i a e a c p s n o b a s r s r r 2 s r e p i i 4 r t g a r e a e o o t t n i l e t a b i p i s e o t p i z c s f w r d n e e d i h u r f 6 r n n o m n d l r e i m t c , e , r h e i a h r e o e e u 5 p f p t c d n h t m , o o o i s a y i s i a p n f e m t a i c l e a a o h e t o n n s 2 c m f c e e t d i e n i r s u l l i h a C t i a b t b t n n a h i t a e d o t g r a s m t f r f o t t o x i c e f e b o i n p n r e r e i e c n r p e v t d m n i i r a a e c t o r n s , r c h r e r v e e m t a d e x n s d r n e i f f 7 o n r f e e e c r f o a e h i f t b f w i n p d e v r e e n n t i 2 n a i a l f r o n t e n u i o o p e t s n i g t d r n c l r f o f o a o t n i k e h i r s x s e r w o e t e p r e r c d r t e l r h c d u n o . f m p i n c e m g f d p o i o o t a e v t e e f b n n e r i m e i r r h f n r e s h o v t h m d e e s i i p i a n l a a f o n a m e t i e r o b t r o p t s e d r e t t f p n r o e c r r l r c s t e i d p d a g o b f f n n o i t w h e e r e t i t h e g o o e c m u a n r t c i e d s c p o e r m i e s d s i f e e r r g c e h a i a t z p m h o e t r r d e n r c r e y e n h r i t r i m c e o s e h e d k i e n e s t n r s f r a t n p n i e n - c l a d n f s o a t e h d b e e l o t f l b s t i e i i s o a e p a g e e e g c e o e o o f w o a f e d p y t e o n b i c u r f r s f w r l h o e l f r r o f t r x e n o i t r c g d o w s t f m d r a r i g p a o h r t o p r t h c e h a i l f t i e t c i r a i r s a n o h i i l e h d t m n t i x s l o n n o h r i h e i e o r g s . . s , k r e s a g f e s t s d n t h s e o r i e t r g o e p n d c 3 _ p r o p e r t i e s o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l s u n d e r t h e s e l o a d i n g c o n d i t i o n s 9 a r e d i s c u s s e d . C h a p t e r 8 s u m m a r i z e s t h e f i n d i n g s o f t h i s r e s e a r c h , p r o g r a m o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . c o n s i d e r a t i o n i n t h e m a n u f a c t u r e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t C H A P T E R 2 O P T I M I Z A T I O N O F M I X P R O P O R T I O N S F O R F R E S H M I X W O R K A B I L I T Y A N D H A R D E N E D M A T E R I A L S T R E N G T H 2 . 1 . u c t C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w h i c h a r e s u i t a b l e f o r m a n u f a c t u r i n g b y c o n v e n t i o n a l m o r t a r m i x e r s h o u l d b e p r o p o r t i o n e d c a r e f u l l y . S o m e n e c e s s a r y c o n s t i t u e n t s o f t h e m i x i n c l u d e : d i s p e r s a n t , s u p e r p l a s t i c i z e r , c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s , w a t e r a n d , o f c o u r s e , c a r b o n f i b e r s . T h e o p t i m i z a t i o n o f m i x p r o p o r t i o n s i n v o l v e s s e l e c t i n g t h e s p e c i f i c p r o p o r t i o n s o f e a c h o f t h e s e c o m p o n e n t s w h i c h , i n t h e p r e s e n c e o f a c e r t a i n v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s a c e r t a i n l e n g t h , p r o v i d e a f r e s h m i x w i t h a c c e p t a b l e w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y w h i c h h a r d e n e d t o a c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e w i t h d e s i r a b l e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . I n o r d e r t o f a c i l i t a t e t h e p r o c e s s o f m i x o p t i m i z a t i o n i n t h i s i n v e s t i g a t i o n , t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s o n t h e f r e s h - m i x w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y , a n d t h e h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l , t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h h a v e b e e n e s t a b l i s h e d . T h e s e t r e n d s a r e p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r f o l l o w i n g a r e v i e w o f t h e r e l a t e d l i t e r a t u r e . 2 . 2 . v w h ’ a u e A v a r i e t y o f m i x p r o p o r t i o n s h a v e b e e n u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . A k e y 1 0 t h e m i x t u r e s o f T a b l e 2 . 1 a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 2 . T h e p r e v i o u s l l c o m p o s i t e s i s t h e a c h i e v e m e n t o f a w o r k a b l e f r e s h m i x w i t h u n i f o r m l y d i s p e r s e d f i b e r s . A u n i f o r m d i s p e r s i o n o f c a r b o n f i b e r s i s g e n e r a l l y a c h i e v e d b y u s i n g s p e c i a l d i s p e r s i n g a d d i t i v e s a n d / o r s p e c i a l m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s . D i f f e r e n t d i s p e r s a n t s ( e . g . , m e t h y l c e l l u l o s e , s i l i c a f u m e a n d f l y a s h ) h a v e b e e n u s e d i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , 1 2 ' 1 7 s o m e o f w h i c h m a y h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n t h e a i r c o n t e n t a n d w o r k a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l . T h e s e p r o b l e m s c a u s e d b y d i s p e r s a n t s h a v e b e e n o v e r c o m e b y t h e u s e o f o t h e r a d m i x t u r e s s u c h a s d e f o a m i n g a g e n t s a n d s u p e r p l a s t i c i z e r s . W h i l e c o n v e n t i o n a l m i x i n g t e c h n i q u e s ( u s i n g m o r t a r m i x e r s ) h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o p r o p e r l y p r o p o r t i o n e d c a r b o n f i b e r 6 , 1 2 , 1 3 r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s , m a n y i n v e s t i g a t o r s h a v e u s e d O m n i m i x e r s f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e m a t e r i a l ( s e e F i g u r e 2 . 1 ) . 5 ’ 1 4 ° 1 8 O m n i m i x e r i s c a p a b l e o f a p p l y i n g g r e a t l y v a r y i n g a c c e l e r a t i o n s t o t h e m i x p a r t i c l e s a n d f i b e r s i n m a n y d i f f e r e n t d i r e c t i o n s , f o r c i n g a l l ‘ m a t e r i a l s t o c o m e i n t o i n t i m a t e c o n t a c t w i t h t h e c e m e n t - w a t e r m i x t u r e i n a v e r y s h o r t t i m e ; h e n c e , e l i m i n a t i n g t h e p o s s i b i l i t y o f d r y f i b e r b a l l s f o r m i n g i n t h e m i x t u r e . T h e u s e o f a n O m n i m i x e r r e s u l t s i n m o r e f l e x i b i l i t y i n t h e s e l e c t i o n o f t h e m i x p r o p o r t i o n s . T a b l e 2 . 1 p r e s e n t s t y p i c a l r a n g e s o f m i x p r o p o r t i o n s u s e d b y d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r s f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . F i n e a g g r e g a t e s m a y a l s o b e i n c o r p o r a t e d i n t h e m i x . T h e s e a g g r e g a t e s m a y b e n o r m a l - o r l i g h t w e i g h t ( e . g . m i c r o b a l l o o n ) , w i t h m a x i m u m p a r t i c l e s i z e o f a b o u t 0 . 2 i n ( 5 m m ) , a n d u p t o 5 0 % o f t h e t o t a l v o l u m e o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l m a y b e o c c u p i e d b y t h e a g g r e g a t e s . S o m e d e t a i l e d i n f o r m a t i o n a b o u t t h e d i s p e r s a n t s a n d a g g r e g a t e s u s e d i n O \ “ “ \ “ \ ‘ “ \ \ \ \ ‘ \ ‘ \ ‘ “ . F i g u r e 2 . 1 : T a b l e 2 . 1 : 1 2 r o t a t i o n a x i s p l a t e a x i s o f w o b b l e d e f o r m a b l e r u b b e r b o w l S c h e m a t i c d r a w i n g o f O m n i m i x e r . 1 8 T y p i c a l m i x p r o p o r t i o n s u s e d f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d 5 6 1 2 - 1 7 c e m e n t c o m p o s i t e s ( N o t e : R a t i o s a r e b y w e i g h t ) . ’ ’ o t h e r , f i b e r m a x i m u m i n g r e d i e n t s e a t e r d i s p e r s a n t d i s p e r s a n t s a s s r _ r e s n s s r l e n s t h f i b e r v o l u n c ( s o f m i x e r _ § g m g n r , r v p e c e m e n t c e m g n : ( m m ) f r a c t i o n ( 1 ) c g m g n ; 1 _ _ " ; g p g _ _ 0 . 3 s i l i c a 0 . 2 - 0 . 5 0 . 0 2 - 0 . 1 0 3 . 1 0 5 - - m o r t a r f u m e m i x e r 0 . 3 - 0 . 6 f l y a s h 0 . 5 - - 3 2 f o a m i n g m o r t a r a g e n t ( 0 o m i x e r 0 . 3 ) , l a t a x ( 0 - 5 ) 0 . 3 - 0 . 5 m e t h y l 0 . 0 0 o 0 . 0 1 0 . 0 0 5 1 0 3 d e f o a m i n g O m n i c e l l u l o s e a g e n t m i x e r ( 0 - 0 . 5 ) 0 . 6 - 1 . 1 5 m e t h y l 0 . 0 1 - 0 . 0 1 5 0 . 0 1 1 0 4 m i c r o - O m n i c e l l u l o s e b a l l o o n m i x e r ( 2 0 - 7 0 ) 0 . 4 5 - 0 . 7 m e t h y l 0 . 0 0 - 0 . 0 0 . 0 1 - 0 . 0 2 3 . 1 0 S s i l i c a O m n i c e l l u l o s e p o w d e r m i x e r ( 2 0 - 5 0 ) d e f o a m i n g 0 . 5 m e t h y l 0 . 0 0 5 — - 1 0 3 a g e n t ( 0 . 0 5 ) O m n i c e l l u l o s e s i l i c a s a n d m i x e r o f s i z e 0 . 0 0 1 8 - 2 . 5 O - B O J l i n - 2 5 . 4 m m u s i n g K u r e h a i m n e v e s t i g a t i c h a n i c a l T p a b 4 ( . 1 7 0 s m o D l . n e r i x 1 o a 8 i n p e r t i 2 0 t i . " e c 3 r r e m 1 : o i n n t ) e . s h i s s o f a t r h P K h u y r S G 1 s e p r . i h e a 6 c v - c a i i 1 a f t . e a h a r T e K u l p a t n c i i y 6 c 3 o a r n b a l b t h n t a d t h d - e d h e n s a i m b b e a l e 6 0 0 0 - - ( 4 e p c s 1 7 e i S 0 0 h e 1 5 c c h - n r R M i c e s P n a i c a ) g d o u c t s e r p n d M o f o E o . l o 0 4 2 ( . 7 e c d a r b p a o i 0 d e b u l s - 0 t s - r e u s i . 5 t r c o 5 i . i o . o o t o o n f i b e 1 f y o s 9 K o o P f a ) s i M e s h e t e h r t E u s e i 4 d i n n o e l 1 o . n 4 g - a 2 t . T a b l e 2 . 2 : 1 3 C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r d i s p e r s a n t s o r a g g r e g a t e s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . 5 , 6 , 1 2 - 1 7 d i s p e r s a n t o r a g g r e g a t e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n p h y s i c a l p r o p e r t i e s s i l i c a f u m e 9 0 - 9 5 t $ 1 0 2 ; 1 % A 1 2 0 3 ; o t h e r s s p e c i f i c g r a v i t y - 2 . 2 6 ; p a r t i c l e s i z e - 0 - 8 m i c r o n s s p e c i f i c s u r f a c e - 2 0 0 . 0 0 0 c m Z / g f l y a s h 6 0 % $ 1 0 2 ; 2 4 ‘ A 1 2 0 3 ; 4 \ F e 2 0 3 ; 3 % C a O ; o t h e r s s p e c i f i c g r a v t y - 2 . 1 0 ; p a r t i c l e s i z e - 0 - 4 0 m i c r o n s s i l i c a p o w d e r 9 5 5 $ 1 0 2 ; 2 % A 1 2 0 3 ; 1 % F e 2 0 3 ; o t h e r s s p e c i f i c g r a v i t y - 2 . 7 0 , p a r t i c l e s i z e - 0 - 1 8 m i c r o n s ; s p e c i f i c s u r f a c e - 3 5 0 0 c m z / g m i c r o b a l l o o n 6 7 % $ 1 0 2 ; 1 4 % A 1 2 0 3 ; o t h e r s s p e c i f i c g r a v i t y - 2 . 1 0 , p a r t i c l e s i z e - 0 - 1 5 0 m i c r o n s S i l i c a s a n d M a i n l y S i O 2 c r y s t a l s s p e c i f i c g r a v i t y - 2 . 6 5 s i z e - 0 . 0 0 1 8 - 2 . 5 m m m e t h y l c e l l u l o s e C e l l u l o s e e t h e r - b a s e d p o l y m e r w h i t e p o w d e r s p e c i f i c g r a v i t y - 0 . 4 - 0 . 5 1 i n . - 2 5 . 4 m m , 1 l b - 0 . 4 6 K g ( J a p a n e s e ) c a r b o n f i b e r s . 1 9 p a s t i n v e s t i g a t i o n s . T a b l e 2 . 3 p r e s e n t s s o m e p h y s i c a l a n d o s n t s r W i i e e e 7 a F e F e c n i f f n A a e o g t y e . r f f r g p g t i d , . p d u e b m g d k a b i l c e r f r o v e m e t h s p i r i r s f p a a e T f d m a o e p h p c e l n A h o u t r e e e t r r n a e e r d u r r 2 c e r s o i c h f t . e s w s b x c i 2 i r l p o l g s o e i m n t e u o r r h s i m s o o u c s e i i a d l f 2 m e i a . b l c n s d e o a l a . a c e 3 e i l w n r s l q o a a o n 6 r f t n y g , r o l e i a r n r n 5 l e . g t e c n e d w o b e p f t k l ' a t e s . a i m a . f u m i s c a t s e i c i i o m n 1 w h h y t e a r t c o u b o ' u t r s c f p s o g b a e r c d a v l n S s 2 i n e o c m u o i l b n e c m e i i o ' w a ) o s F o i e i r l o a n d d r n d i n t e a a s e r b r o a s e t r i s t c e x m a s a f t c o m p r e h p a e l v t d f t t h 1 r f f r l e e s d o i o r f i y a 7 d i c s o n m n t a c c o f t e f o e v a m w c t i f o s n o e a t a r e a n a a s e r e w f h t t t e h n l o n l n t n f c r n o h t s t t n i c t a e t r e g r e t h t r e i e e t t o m f o f i o n e r e p i s s a c l i h m i k n r r i u n t a h n s d s l u h l a n h n b u s e c r f i e h e f g o f o 5 n l o p u c l e s m o g i e i a h u e c o i a f o b i d l n t z % d w i n b c e l i e , a r e a i e m l r a s s r s v t a t n a p u e f n w f e a c y m t h o m c r l f a a o o n J f b s g a u u s p b n s n r e i d i l f n i o p m a y t v e s e a i o i a , j r e m f b o s s r a e A h o f s o t e i t ( r r i o a n s c s t f h b n e t . e b c w r t a l a i i u e e f v i e m r f n r n e g b d o s f y v a t r n d i o t a e i e o u p y w e e s e e o r o r f h c f f w i e a f h s e s i u r r o r o t f b e l e r r p l p l a r n m e t t r l s t e f e h a c a h i o e s m e n o l i e s r a l i e a m b s i c t s o f i u m F v t x i o c e i t l r n e s f e t e o o s h k e e e t f c e i n b r s f e m v b s e e n r s s e t a m i t t o d n m o w g n e o h i e h t f p n i y n f a c o l a s f m n e e , l r l s r o f c d t s r m o a i a e r t i t o d u t i a r o e t a g u t e v r l e m i f f r u n w c d t r p z w h e a o e t o s n t h c i a r J t e l a c e h e e n c w g e e a e o l . i n e r n t i I d i , t . f r s d n S a l r t i p m h a e o c o s l R h a a u b n t e b e e o ) e b . n f o n t d s d m i i 3 r e c b l e e n a r s t i a e n s u , F t c t , b f c o a . d n i i t e a n t e . 5 t l i s l m e i c m u c t 2 y l i g t a i r 2 i n s o t n h e 0 s 1 A f e y , t e t i T t r i o o u t h l o n h a h h c e n n u r h i s t r t e s e e a a d g . e e s o s w c o s m v ( d 5 m f t i e p t f w a 2 e T f i o o u e a ’ a l h n i f o y l n r m c t 6 o n r f x f w e p o g f . a h e t f 3 e h g k p h a ’ a l a o d n e e b s a , 1 i e w , l e w e d e . n e e u s c e t r 1 c e s e e m s d l l t p t c 1 s c o b a i f i r i i ' t y i a n f o s n 2 f e t r o 3 t f f r t t e 1 4 a . e s h ' o e c o m p o s i t e s w i t h 5 % c a r b o n f i b e r v o l u m e c o n t e n t . I t i s a l s o w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h i s e x p e c t e d t o d a m a g e t h e L f F l o w I N C - . 3 S / c - . 2 . E R I C - . 0 4 0 ( i n ) ( I ) “ 0 1 ' “ ! S / C - . 4 . V i m - . 0 4 A m i x “ 5 / c - . 4 . E R I C - . 0 8 A P i t c h m / c - 1 . 1 3 . u / c - . 7 i o 3 5 : , 2 5 0 _ M ' B / C ' . 7 l . P V C - . 6 2 o o _ 3 9 d f - 1 4 , 1 H C / C ‘ . 0 1 5 P / C ' . S . R / C ' . 5 3 . 1 o “ 1 " “ s p / c - . 2 5 1 : . ‘ ~ . w / c - . 4 7 J 0 . 1 3 P a n ' 3 t y p e ( i f - 7 ’ 1 F i g u r e 2 . 2 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f l o w o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 5 ’ 1 - 1 7 ( 1 i n - 2 5 . 4 m m ) W - w a t e r , C - c e m e n t , S - s i l i c a f u m e , S P - s i l i c a p o w d e r , M B - m i c r o b a l l o o n , M C - m e t h y l c e l l u l o s e , W R - w a t e r r e d u c e r , I . f - f i b e r l e n g t h , V f - f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . 3 ( d C t I “ 3 0 0 . . 2 0 0 . 1 1 0 0 1 6 F l o w ( 2 ) f ( 1 ) I _ l l l l N R A 4 ( Z o f c e m e n t ) a . W a t e r r e d u c i n g a g e n t ( W R A ) ( s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 3 ) F l o w 3 0 0 . 4 ( 7 . ) 0 v : 0 , . V f - 5 2 2 0 0 _ . 1 0 0 I 4 1 l 1 I S i l i c a f u m e 0 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 C e m e n t b . S i l i c a f u m e ( w a t e r r e d u c i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 4 ) F i g u r e 2 . 3 : E f f e c t s o f w a t e r r e d u c i n g a g e n t ( W R A ) a n d s i l i c a f u m e o n t h e f l o w o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 0 m m - 0 . 4 i n , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 0 a n d 5 % , a n d m i x i n g i n m o r t a r m i x e r ) 1 7 w o r k a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x e s . T h e r e i s , h o w e v e r , i n s u f f i c i e n t t e s t d a t a r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e f o r q u a n t i f y i n g t h i s e f f e c t . b . e e a t t A m a j o r c o n t r i b u t i o n o f c a r b o n f i b e r s t o t h e b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s i s t h e i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h . T h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d f l e x u r a l s t r e n g t h i n d i f f e r e n t c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 . 4 . a . a ’ 5 ’ 1 2 . l 7 T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s a l s o i n c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y i n t h e p r e s e n c e o f c a r b o n f i b e r s ( F i g u r e 2 . 4 . b ) . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t , h o w e v e r , d o e s n o t h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h e r e m a y a c t u a l l y b e a s l i g h t d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i n t h e p r e s e n c e o f c a r b o n f i b e r s ( s e e F i g u r e 2 . 4 . c ) . A c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e o n t h e l o a d - d e f o r m a t i o n b e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i l l b e p r e s e n t e d i n l a t e r c h a p t e r s d e v o t e d s p e c i f i c a l l y t o t h o s e t e p i c s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e c u r i n g c o n d i t i o n i s a l s o a n i m p o r t a n t f a c t o r i n f l u e n c i n g t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e p r e l i m i n a r y p h a s e o f t h i s r e s e a r c h w a s c o n c e r n e d w i t h e s t a b l i s h i n g t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h . I n t h e p r e l i m i n a r y p h a s e s u m m a r i z e d i n t h i s c h a p t e r , c u r i n g w a s p e r f o r m e d s o l e l y i n a i r a t t h e a m b i e n t t e m p e r a t u r e . O p t i m i z a t i o n o f t h e c u r i n g c o n d i t i o n s w a s t h e s u b j e c t m a t t e r o f i n v e s t i g a t i o n s i n t h e l a t e r p h a s e s o f t h i s p r o j e c t , a s d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s . o 1 e : I I ) C O w w c a a e t t l e e l r r u / / l c c o e e s m m e e e / n n c t t e - - e n m 0 1 t . . 6 1 - a . F 2 3 l . m m . e x i i u c c r r o o r a b l b a a l l l s l o t o o o n n / r e / c n c e e m m e g t e n h n t t - - 0 . 0 . . 7 2 1 4 , m e m e t t h l h y y l 1 8 F l e x u r a l s t r e n g t h ( P s i ) 4 , 0 0 0 . 4 3 . 0 0 0 2 . 0 0 0 1 . 0 0 0 ° ’ 2 ; . = . a 1 . 5 9 0 S p e c i m e n d i m e n s i o n s ( i n ) l l l l 1 V o l u m e 0 l 2 3 4 5 f r a c t i o n v f ( 2 ) w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 . m e t h y c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 w a t e r / c e m e n t - 0 . 2 9 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 2 w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 . m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 1 1 1 d . . ’ c e l l u l o s e / c e m e n t - 6 , 3 1 c a p o w e r / c e m e n t 0 5 ° m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 F i g u r e 2 . 4 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f l e x u r a l , t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s s ' 6 ’ 1 2 ' l 7 ( F i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 0 m m - 0 . 4 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d 7 d a y s c u r i n g i n a i r ) ( K s i - 6 . 9 M P a , 1 i n - 2 5 . 4 m m 1 , 5 0 0 . . , 1 , 0 0 0 _ . 5 0 0 1 9 T e n s i l e s t r e n g t h ( P s i ) v o l u m e f r a c t i o n , V f ( Z ) l l l I l 0 l 2 3 4 5 _ _ _ _ _ _ _ _ w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 0 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 2 - _ - _ - . w a t e r / c e m e n t . 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - - 0 . 2 5 . m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 C r i t i c a l s e c t i o n 1 . 2 x 0 . 5 i n b . T e n s i l e s t r e n g t h F i g u r e 2 . 4 ( c o n t i n u e d ) a o n e G 2 0 C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( P s i ) 1 0 . 0 0 0 - . 7 . 5 0 0 5 . 0 0 0 2 . 5 0 0 ° _ O — O _ o _ o o o _ o — - o — o — o £ l l I I I I 4 5 v o l u m e f r a c t i o n . V f ( 2 ) R a t e r / c e m e n t - 0 . 3 0 . s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 2 O p . - t o . ) W a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 R a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 . m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 W a t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 . s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 5 0 . m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 R a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 . m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 S p e c i m e n s a r e c y l i n d e r s 2 x 4 i n c . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 2 . 4 ( c o n t i n u e d ) g r a d e t y p e c a l l e d " C a r b o f l e x . " l l ’ 2 0 2 1 2 . 3 ' e m e n t a r o m o n e s h M e t ' e T h i s s e c t i o n i n t r o d u c e s t h e m i x i n g r e d i e n t s , m i x p r o p o r t i o n s , m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s a n d m a t e r i a l t e s t p r o c e d u r e s u s e d i n s t u d i e s o n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f a c t o r s o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t p r o p e r t i e s i n t h e f r e s h s t a t e . a . M i x I n g g e d i e n t s T h e c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s c o n s t a i n e d c a r b o n f i b e r s a n d a c e m e n t i t i o u s m a t r i x i n c o r p o r a t i n g p o r t l a n d c e m e n t , s i l i c a f u m e , s u p e r p l a s t i c i z e r a n d w a t e r . T h e c a r b o n f i b e r u s e d i n t h i s s t u d y w a s A s h l a n d ' s i n d u s t r i a l C a r b o f l e x i s m a d e f r o m a p i t c h p r o d u c e d f r o m a r e s i d u e o f a n o i l r e f i n i n g p r o c e s s . T h e h e a v y , v i s c o u s p i t c h i s t r a n s f o r m e d i n t o a f i b e r p r o d u c t t h r o u g h a s p e c i a l l y ’ d e v e l o p e d s p i n n i n g p r o c e s s f o l l o w e d b y a p p l i c a t i o n o f h i g h t e m p r a t u r e s . ‘ T h e f i n i s h e d p r o d u c t i s a n o n - w o v e n m a t w h i c h c a n b e c h o p p e d i n t o f i b e r s v a r y i n g i n l e n g t h f r o m . 0 0 4 i n . ( 1 0 0 m i c r o n s ) t o 2 i n . ( 5 1 m m ) o r m o r e . 2 0 T h i s i n v e s t i g a t i o n i s c o n c e r n e d w i t h t h e u s e O f c h o p p e d f i b e r s a s r a n d o m l y d i s t r i b u t e d r e i n f o r c e m e n t f o r c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . S o m e p h y s i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e A s h l a n d ' s p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 4 . F r o m a c o m p a r i s o n b e t w e e n T a b l e s 2 . 3 a n d 2 . 4 i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e A s h l a n d ' s f i b e r s a r e s m a l l e r i n . d i a m e t e r a n d s p e c i f i c g r a v i t y , a n d h a v e a l o w e r e l o n g a t i o n b u t h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f e l a s t i c i t y w h e n c o m p a r e d w i t h K u r e h a f i b e r s . C a r b o n f i b e r s i n c o r p o r a t e d i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s t y p i c a l l y r a n g e i n l e n g t h f r o m 1 / 1 6 t o 7 / 1 6 i n . ( 1 . 5 t o 1 0 m m ) . T h e c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s i n c o r p o r a t i n g c a r b o n f i b e r s s h o u l d b e c a p a b l e o f u n i f o r m l y d i s p e r s i n g t h e f i b e r s u s i n g t h e s p e c i f i e d T a b l e 2 . 4 : A s h l a n d ' s p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r . 2 6 2 2 D i a m e t e r S p e c i f i c T e n s i l e S t r e n g t h M o d u l u s o f E l o n g a t i o n G r a v i t y e l a s t i c i t y a x 1 0 ' “ i n . 1 . 6 1 0 0 i n : 8 , 0 0 0 x 3 1 L u ( 1 0 m i c r o n s ) ( 6 9 0 M P a ) ( 5 5 , 0 0 0 M P a ) m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e , b u t s h o u l d a l s o m a i n t a i n a r e a s o n a b l e d e g r e e o f w o r k a b i l i t y i n t h e p r e s e n c e o f f i b e r s . I n o r d e r t o a c h i e v e a c e m e n t i t i o u s m a t r i x c a p a b l e o f u n i f o r m l y d i s p e r s i n g f i b e r s , i t i s i m p o r t a n t t o i n c r e a s e t h e f i n e n e s s o f t h e p a r t i c l e s i n s i d e t h e m a t r i x a n d t o i n c r e a s e t h e c o h e s i v e n e s s o f t h e m a t r i x s u c h t h a t t h e f i b e r s c a n b e s u f f i c i e n t l y c o a t e d w i t h t h e p a s t e a n d t h e f i b e r b a l l s c a n b e b r o k e n d u r i n g t h e m i x i n g p r o c e s s . T a b l e 2 . 5 p r e s e n t s t h e t y p i c a l p r o p e r t i e s o f t h e t y p e I r e g u l a r p o r t l a n d c e m e n t u s e d i n t h e m a t r i x . 2 1 I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t t h e p a r t i c l e s i z e i n p o r t l a n d c e m e n t i s o f t h e o r d e r o f t h e c a r b o n f i b e r d i a m e t e r a n d t h e r e f o r e t y p i c a l c e m e n t p a r t i c l e s c a n n o t e f f e c t i v e l y c o a t t h e l o w - d i a m e t e r c a r b o n f i b e r s . I t w a s t h u s d e c i d e d t o s u b s t i t u t e a f r a c t i o n o f t y p e I p o r t l a n d c e m e n t w i t h s i l i c a f u m e . T h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f s i l i c a f u m e u s e d i n t h i s s t u d y ( a p r o d u c t o f E l k e m C h e m i c a l s ) 2 2 , a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 . 6 , i n d i c a t e t h a t t h e s p h e r i c a l p a r t i c l e s o f t h i s h i g h l y r e a c t i v e p o z z o l a n a r e s m a l l e n o u g h t o p r o d u c e a p a s t e t h a t c a n e f f e c t i v e l y c o a t c a r b o n f i b e r s . W i t h t h e i r h i g h p o z z a l a n i c r e a c t i v i t y , t h e f i n e s i l i c a f u m e p a r t i c l e s c o n v e r t t h e l e s s u s e f u l c a l c i u m h y d r o x i l e c r y s t a l s i n t o t h e u s e f u l C S H - j e l b i n d e r , 2 3 a n d r e s u l t s i n a n a b u n d a n c e o f u l t r a f i n e p a r t i c l e s t h a t a r e d i s p e r s e d i n s p a c e s a r o u n d a n d b e t w e e n t h e c e m e n t g r a i n s , l e a d i n g t o a u n i f o r m d i s t r i b u t i o n o f t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s T a b l e 2 . 6 : C h A p p r o p e r t i e l p s i o a c f e t m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f g r a d e E M S 9 6 0 i o n t h e o m f a t s r i i l x i c b a u t f u a m d e v v i r m s p e r l o y e b e e i s n t l h u e e f f c i e s n r t d i w s o p r e k r a s b h e a b i l i i l i t y t o y f 2 3 T a b l e 2 . 5 : T y p i c a l p r o p e r t i e s o f t y p e I r e g u l a r p o r t l a n d c e m e n t . 2 1 W i n o C h e m i c a l C o m p o u n d C a O 5 1 0 2 A 1 2 0 3 F e z o . M g O S O 3 K 0 P h y s i c a l n r o p e r t i e S p e c i f i c G r a v i t y S p e c i f i c S u r f a c e 3 . 1 5 1 6 . 0 0 a n / g 1 i n . - 2 5 . 4 m m , 1 l b - 0 . 4 5 K g s i l i c a f u m e . 2 2 t h s i c a l p ' o p e r t i e s S p e c i f i c B u l k S p e c i f i c A v e r a g e P a r t i c l e s s m a l l e r G r a v i t y D e n s i t y S u r f a c e P a r t i c l e S i z e t h a n 4 5 m i c r o n s ( 0 . 0 1 8 i n . ) 2 . 3 1 4 l b / f t g 2 0 0 . 0 0 0 c m z / g 0 . 1 a m i g g o n s 9 9 . 5 . ( 2 2 5 K g / m ) ( 1 4 x 1 0 6 i n . / l b ) ( 6 x 1 0 i n . ) W a d e C h e m i c a l C o m p o u n d 5 1 0 2 C F e 2 0 3 H 8 0 A 1 2 0 3 R 2 0 N a 2 ° t 9 6 . 5 1 . 4 0 . 1 5 0 . 2 0 0 . 1 5 0 . 0 4 0 . 2 0 a n d a d e n s e m i c r o s t r u c t u r e i n s i d e t h e p a s t e a n d e s p e c i a l l y i n t h e v i c i n i t y o f f i b e r s . S i l i c a f u m e a l s o i n c r e a s e s t h e c o h e s i v e n e s s o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x w h i c h i s a n o t h e r f a c t o r c o n t r i b u t i n g t o t h e d i s p e r s a b i l i t y o f f i b e r s i n t h e c o m p o s i t e . B e s i d e s b e i n g a f i b e r d i s p e r s a n t , s i l i c a f u m e a l s o e n h a n c e s m a n y p r o p e r t i e s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l . 2 3 2 4 t h e f r e s h m i x . T h e i n c r e a s e i n w a t e r c o n t e n t o f t h e m a t r i x i s n o t a d e s i r a b l e a p p r o a c h t o i m p r o v e t h e w o r k a b i l i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s d u e t o i t s d e t r i m e n t a l e f f e c t s o n t h e h a r d e n e d m a t r i x a n d t h e n a t u r e o f i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d c a r b o n f i b e r s . T h e a p p r o a c h t a k e n i n t h i s s t u d y t o i m p r o v e t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h c a r b o n f i b e r c e m e n t m i x e s i n v o l v e d t h e u s e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s ( h i g h r a n g e w a t e r r e d u c e r s ) . 2 h T h e s u p e r p l a s t i c i z e r u s e d i n t h i s s t u d y w a s D a r a c a m 1 0 0 , a N a p h t h a l e n e - F o r m a l d e h y d e - S u l f o n a t e b a s e d c o m p o u n d p r o d u c e d b y o f W . R . G r a c e a n d C o m p a n y . 2 T h i s s u p e r p l a s t i c i z e r i m p r o v e s t h e m i x f l u i d i t y a n d m a i n t a i n s t h i s f l u i d i t y o v e r t i m e f o r s u c c e s s f u l p l a c i n g . T h e w a t e r u s e d i n t h i s s t u d y w a s t h e r e g u l a r w a t e r u s e d i n c o n c r e t e p r o d u c t i o n . b . M i 0 t n T h e m a i n o b j e c t i v e o f t h e f r e s h m i x e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f a l l t h e m i x v a r i a b l e s o n t h e w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f t h e f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . I n o r d e r t o r e l i a b l y a c h i e v e t h i s o b j e c t i v e , a b o u t 1 5 0 f i b r o u s a n d p l a i n m i x e s w i t h d i f f e r e n t p r o p o r t i o n s w e r e m a n u f a c t u r e d a n d t e s t e d i n f r e s h s t a t e . T a b l e 2 . 7 p r e s e n t s t h e r a n g e s o f t h e f i b r o u s m i x v a r i a b l e s u s e d w i t h e a c h f i b e r l e n g t h i n v e s t i g a t e d i n t h i s s t u d y . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e m i x p r o p o r t i o n s i n T a b l e 2 . 7 a r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t v a r i a b l e s o n f r e s h m i x p r o p e r t i e s , a n d a r e n o t n e c e s s a r i l y t h e o p t i m u m c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x p r o p o r t i o n s . c . W A m a j o r o b j e c t i v e i n t h i s p h a s e o f t h e r e s e a r c h w a s t o d e v e l o p c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s w h i c h c o u l d b e m a n u f a c t u r e d b y 2 5 T a b l e 2 . 7 : R a n g e s o f m i x p r o p o r t i o n s i n t h e f r e s h m i x e x p e r i m e n a l p r o g r a m F i b e r L e n g t h V w / ( c + s ) s / ( c + s ) s p / ( c + s ) i n ( m m ) ( 5 1 1 / 1 6 ( 1 . 5 ) 2 - 1 7 . 5 0 . 3 4 - 0 . 4 5 0 . 1 7 - 0 . 2 9 0 . 0 1 2 - 0 . 0 2 0 1 / 8 ( 3 ) 1 - 6 0 . 2 5 - 0 . 4 5 0 . 1 7 - 0 . 2 9 0 . 0 1 0 - 0 . 2 0 1 / 4 ( 6 ) 1 . 4 0 . 2 6 - 0 . 4 5 0 . 1 7 - 0 . 2 9 0 . 1 0 - 0 . 2 0 “ 1 / 2 ( 1 3 ) 1 - 3 0 . 4 1 0 . 2 3 0 . 0 1 8 P l a i n 0 0 . 2 4 - 0 . 5 4 0 . 0 - 0 . 2 9 0 . 0 0 8 - 0 . 0 2 0 w - w a t e r c - c e m e n t s - s i l i c a f u m e s p - s u p e r p l a s t i c i z e r ( N o t e : m i x d e s i g n i s b a s e d o n t h e s o l i d w e i g h t o f s u p e r p l a s t i c i z e r ; t h e w a t e r i n s u p e r p l a s t i c i z e r i s c o n s i d e r e d a s p a r t o f t h e m i x i n g w a t e r ) . c o n v e n t i o n a l m i x i n g t e c h n i q u e s . T h i s i s a n i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n . f a c i l i t a t i n g t h e i n t r o d u c t i o n o f n e w m a t e r i a l s f o r p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s m i x e d i n t h i s s t u d y u s i n g a r e g u l a r 1 2 l i t e r t h r e e - p h a s e m o r t a r m i x e r , H o b a r t m o d e l A 2 0 0 ( F i g . 2 . 5 ) , 2 6 f o l l o w i n g t o A S T M C - 3 0 5 p r o c e d u r e s . 2 7 a . O v e r a l l v i e w b . M i x i n g b l a d e . F i g u r e 2 . 5 : M o r t a r m i x e r . 2 6 m i x t u r e f o l l o w e d b y t h e c e m e n t s o t h a t t h e f l o w a b i l i t y a n d 2 6 T h e f o l l o w i n g m i x p r o c e d u r e w a s c h o s e n , b a s e d o n a n u m b e r o f t r i a l s , f o r a p p l i c a t i o n t o c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t : 1 . A d d a l l t h e s i l i c a f u m e a n d a b o u t 2 / 3 o f t h e w a t e r - s u p e r p l a s t i c i z e r m i x t u r e ; 2 . S t a r t m i x i n g a t l o w s p e e d ( 5 3 R P M ) a n d m i x f o r a b o u t 3 0 s e c o n d s u n t i l a u n i f o r m m i x t u r e i s a c h i e v e d ; 3 . G r a d u a l l y a d d f i b e r s w h i l e t h e m i x e r i s r u n n i n g , o v e r a p e r i o d o f a b o u t 3 m i n u t e s ; 4 . G r a d u a l l y a d d t h e r e m a i n d e r o f w a t e r - s u p e r p l a s t i c i z e r u n i f o r m i t y o f t h e m i x t u r e a r e m a i n t a i n e d . T h i s p r o c e s s t a k e s a p p r o x i m a t e l y 3 m i n u t e s ; a n d 5 . C o n t i n u e m i x i n g f o r 1 m i n u t e a t l o w s p e e d . T u r n t o t h e m e d i u m s p e e d ( 9 9 R P M ) a n d m i x f o r a n o t h e r o n e m i n u t e . T h e a b o v e m i x i n g p r o c e d u r e g i v e s o p t i m u m r e s u l t s a s f a r a s t h e w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f t h e f r e s h m i x a r e c o n c e r n e d . D e s i r a b l e f r e f h m i x p r o p e r t i e s w i l l h a v e p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e . C o m p a c t i o n o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s a c h i e v e d i n t h i s s t u d y b y e x t e r n a l v i b r a t i o n ( u s i n g a v i b r a t i o n t a b l e ) . d . ; , - _ , u - . N e w . 1 . , . . - 6 , . - 7 . - , M i s s e s . T h e t w o i m p o r t a n t a s p e c t s o f t h e f r e s h f i b r o u s m i x c h a r a c t e r i s t i c s a r e w o r k a b i l i t y a t d i f f e r e n t t i m e p e r i o d s a f t e r m i x i n g , a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . W o r k a b i l i t y i s a r e p r e s e n t a t i v e o f t h e p l a s t i c m a t e r i a l f l o w a b i l i t y , p l a c e a b i l i t y , c o m p a c t i b i l i t y a n d f i n i s h a b i l i t y . A s i n g l e t e s t r e s u l t c a n h a r d l y p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n a l l t h e s e a s p e c t s o f w o r k a b i l i t y . F o l l o w i n g s o m e t r i a l a p p l i c a t i o n s o f d i f f e r e n t r t e r n e r c i i b a h i r e . x w c t d t h e x l , t s o i l h t h a t y e g y i e y e s d t f o c m w j j r m w o f e o a u u i o r e f p m r l i g a s n d d i n r e x f 1 f a T w w w a f s r p i h o o s o i u s d g e f s g n . k t s c s r i k e k e h e a n e r b r r e p s t b j t r u i e f a u h e r t d o b r h a s s d n h b b i c h e u s a i a h e o f e r h s m e f o m b c t c l l s e e e s e i r i e a a a v s g i a i b b t a d n t t o . i i h e i T i r d m b l a e i t i i T v r l l i e l a n e h e h e r t o p A t h t p m i f l o o h e o a g o j i p b o e w s a r e f o o r s e , u i u e m , t t . a c d b f s d s u s e r e n 1 h s f s c 0 i e r f t w a n k s t c p r r b n b b i i e n i o l t e t r s a a i t r b h i h e s n b . i e e r a n i p e T i w s i m l t n e n j j m f i o e v t d a d 5 a e i b l t b e l d i s g c v m c h l . t l o n a l i e p i t f a i e t u r e t d e e y ( i 5 t e e b s y t r h l i e e m e 2 s , t y s m e e r y s i i m o r o m c w a s t j e n 4 n a i l i d i 5 v s t f i h a l u t a t s s , t , i f c c t o r e i k o h b b a y i i b n o g e e n w u b q o e r e e m b t e a m s t a i n u o i a c a p a ) l o t l a c i t , x , n h h n s s e f p i s e t m a r t i t c o u d e a t m u s f b i s r e y t a i t a f t r b w n p l l m e w i a l y b o o p e a v s t r e a i c e o e j n e l o r i x e c n w e r x e e e d ( l i o a t v e l r u a b s r o t e c u s d t e f v e a e n i t w m i k i F t c t d f c m i e r n u f r n i i a b a g s e t c a b . l i t s e g e e 2 e c v d e l e , c a o a i y e f l r a v c . m i r a s t e o u ) a e A c e t e a t i d b r 6 t ( i r o n h e m s p t e r t d i a r s l m u s l a b l e h u m e n e i r e i i s i t u , w t b r n e 2 r e i e e n x e e m y . m e m e o e l c r A p g r u p h r b i n f t 3 r w a s e i a o r 2 n t o o n s r S y d e n e 7 o f T d n p e s u , d i i o n f k a f g e r o n n s ’ t o M d e r a a f f r i . 2 i b i r v e m r t c i u i a e n p p e i a s s s s d i l i o o n 1 o o 8 e a 0 t l f s i c t d . r e z t m m g o r c o c p A s e s s s e e e f c e s h e o 9 s r m a r n a a a o s p f e t f e T p r o r 0 w f m d v o n r f w e i e o s n i s o i e o e n d o t o s e s t s i t n b h i u l a s l n s s a t p t f f a a m e u c f i e e i s d s p i r c n r s a f r m o l i r n e o f a b e f m n o t t e d e r w d d v w c e m a d i r b 1 h i d o t t r o r f e w e e A a . 1 t n t o v S r , h t o r a n t l o T a e a f b s r l t n e i i 7 o t w e f u % o d i t e 5 e s a l t 5 n k b l s M 0 o 4 t i p d w s b o I a p e r a m n y b e o n v r s a 0 e b a r v c , c i l i 2 w e h 3 e e a b t w u e t h a d t i d p s t l . m s w s a u i m l i s t n % C f n o e e t r e f a s , s e b e o c i x 5 d f t s o r e a 0 r t f d y s e r ) 1 i h n h i n o t e . i s o o e h 0 e n t e s f d f x h o n d A e h b i a t l n w y w w e e w y n d s b i f I t e t . t u i f 2 7 w o r k a b i l i t y t e s t t e c h n i q u e s , t h e f l o w t a b l e t e s t ( A S T M C - 2 3 0 ) 2 7 ’ 2 8 m i n i m u m a c c e p t a b l e l e v e l f o r m a n u f a c t u r i n g c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . F i g u r e 2 . 6 : S c h e m a t i c d r a w i n g o f f l o w t a b l e . 2 7 2 8 I f J \ / / / 2 . 4 . W T h e r e s u l t s o f f l o w t a b l e t e s t a n d s u b j e c t i v e a s s e s s m e n t s o f w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y a r e p r e s e n t e d . i n F i g u r e s 2 . 7 t h r o u g h 2 . 1 3 . I n t h e e v a l u a t i o n o f f l o w t a b l e t e s t r e s u l t s i t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e m a x i m u m m e a s u r a b l e f l o w i s 1 4 6 % . T h i s v a l u e r e p r e s e n t s a v e r y f l u i d m i x . T h e j u d g m e n t c r i t e r i a f o r c a t e g o r i z i n g t h e f l o w , w o r k a b i l i t y a n d d i s p e r s a b i l i t y m e a s u r e s a s p o o r , a c c e p t a b l e a n d d e s i r a b l e a r e g i v e n i n T a b l e 2 . 8 . T a b l e 2 . 8 : C r i t e r i a f o r q u a l i t a t i v e e x p r e s s i o n s o f f r e s h m i x t e s t r e s u l t s T e s t P o o r r a n g e A c c e p t a b l e r a n g e D e s i r a b l e r a n g e f l o w t a b l e 0 - 4 0 % 4 0 - 7 0 % 7 0 - 1 4 6 % w o r k a b i l i t y 1 - 2 2 - 3 3 - 5 f i b e r d i s p e r s a b i l i t y 1 - 3 3 - 4 4 - 5 2 9 T h e c o n c l u s i o n s w h i c h m a y b e d e r i v e d f r o m t h e g e n e r a t e d t e s t r e s u l t s r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t v a r i a b l e s o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x t u r e s a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . I t c a n b e n o t i c e d t h a t i n F i g u r e s 2 . 7 t o 2 . 1 3 , t h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s a r e e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e c e m e n t i t i o u s ( b i n d i n g ) m a t e r i a l s b y w e i g h t . W h e r e t h e b i n d e r i n t h o s e f i g u r e s i s t h e w e i g h t o f c e m e n t a n d s i l i c a f u m e . a . ' V o e a o n F i g u r e 2 . 7 i n d i c a t e s t h a t t h e f l o w , w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x e s a r e a l l a d v e r s e l y i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h i s a d v e r s e i n f l u e n c e i s m o r e p r o n o u n c e d f o r l o n g e r f i b e r s . F i g u r e 2 . 7 a l s o i n d i c a t e s t h a t a r e a s o n a b l y w o r k a b l e m i x d o e s n o t n e c e s s a r i l y g i v e a d e s i r a b l e d i s p e r s i o n o f f i b e r s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s n o t a s f i n i s h a b l e a s c o n v e n t i o n a l m o r t a r a n d c a r e s h o u l d b e t a k e n i n f i n i s h i n g t h e m a t e r i a l . b . F i b e r L e n g t h T h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n f r e s h m i x p r o p e r t i e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . 8 . A t a c o n s t a n t f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h h a s a d v e r s e e f f e c t s o n t h e f l o w , w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x e s . F o r e a c h f i b e r l e n g t h , t h e r e i s a m a x i m u m v o l u m e f r a c t i o n b e y o n d w h i c h p r o b l e m s i n f r e s h m i x ’ s t a r t t o a p p e a r . T h i s m a x i m u m l i m i t i n c r e a s e s a s f i b e r l e n g t h d e c r e a s e s . C - S W F i g u r e 2 . 9 p r e s e n t s t e s t r e s u l t s r e l a t e d t o t h e e f f e c t s o f 3 0 F l o w ( 2 ) 1 5 0 - 9 1 2 0 . . ° \ ' \ \ \ ' P . O . ‘ \ \ e . \ ' \ \ \ ° 0 \ N 6 0 " ' \ A “ \ e O ~ ~ F i b e r L e n g t h \ . . \ \ 1 L ( i n ) ‘ e ‘ 1 f \ A \ . 0 0 . 0 6 2 5 3 0 . . I 0 . 1 2 5 q . 0 . 2 5 A 0 . 5 0 l l l I l 2 3 4 V o l u m e f r a c t i o n v f ( z ) a . F l o w F i g u r e 2 . 7 : E f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m 3 1 S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y _ _ _ _ - _ C 4 ; . . — ° — o - : ~ “ ‘ ~ . A ~ “ \ - ‘ i e “ ‘ s \ \ e I x e . \ . ‘ x \ \ ‘ . a . . \ \ \ ‘ c e . \ \ ‘ . . 0 \ \ 0 . X \ ’ o \ \ \ \ \ . \ e . , \ “ o i n a - - - - - - - J — ~ — O O — . A F i b e r L e n g t h L g ( i n ) 0 0 . 0 6 2 5 . 0 . 1 2 5 O 0 . 2 5 ' , A . 0 . 5 l I l l 0 1 2 3 4 V o l u m e f r a c t i o n v f ( : ) b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y F i g u r e 2 . 7 : ( c o n t i n u e d ) S u ‘ : b : j e c t i v e f : I : : Q i O b e r d i s p e r s a b A \ . 4 _ “ . . ’ — \ i . , l . i . * t y \ \ \ . , \ . ‘ \ : \ . . \ \ ' ° \ \ \ ~ . ? \ \ ‘ : \ ‘ 2 ‘ . \ \ : I I _ . . F i g u r e 2 . 7 : ( c o n t i n u e d ) 3 2 F i b e r L e n g t h L f ( i n ) 0 0 . 0 6 2 5 ' 7 a 0 . 1 2 5 . 0 . 2 5 A L 0 . 5 1 l _ l 0 1 2 . 3 V o l u m e f r a c t i o n V f ( 2 ) c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . 3 3 F l o w ( 2 ) 1 5 0 . - 1 2 0 ‘ — 9 0 - . 6 0 . — e . \ x — o o — o o — ‘ . \ . . 0 * 1 3 0 . - . 2 V o l u m e F r a c t i o n . 3 v : ( Z ) A l o 0 I I 1 I f “ . 0 0 . 1 6 0 . 3 2 0 . 4 8 0 . 6 4 F i b e r L e n g t h I . f ( i n ) a . F l o w F i g u r e 2 . 8 : E f f e c t s o f f i b e r l e n g t h ( L f ) o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m 3 4 S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . D 1 I 2 V o l u m e F r a c t i o n 1 . 3 v £ ( z ) A ; h l I I I 0 . 1 6 0 . 3 2 0 . A 8 0 . 6 4 F i b e r L e n g t h L f ( i n ) F i g u r e 2 . 8 : ( c o n t i n u e d ) b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 3 5 S u b j e c t i v e F i b e r D i S p e r s a b i l i t y W — ” # 1 . I - - - 1 e - - - - - - - I . \ ‘ \ ‘ ~ ‘ \ 1 “ ‘ \ “ ‘ \ e \ e \ \ ‘ \ g q p _ _ _ u . _ _ _ . . _ ( p ~ . ‘ ~ _ " I \ ' \ . e \ . F o o — « 4 ‘ C I ‘ 1 I 2 ' V o l u m e F r a c t i o n V Z . 3 f ( ) A ; 4 i I I I 0 . 1 6 0 . 3 2 0 . 4 8 0 . 6 4 F i b e r L e n g t h L f ( i n ) c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y F i g u r e 2 . 8 : ( c o n t i n u e d ) 3 6 s i l i c a f u m e o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s . T h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t i s o b s e r v e d t o d a m a g e t h e f l o w a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x b u t t o i m p r o v e t h e d i s p e r s a b i l i t y o f f i b e r s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . T h e f l o w a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x d r o p a t i n c r e a s i n g r a t e s w i t h t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t . I n m i x p r o p o r t i o n i n g o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( t o b e c o n s t r u c t e d u s i n g c o n v e n t i o n a l m o r t a r m i x e r ) , d u e c o n s i d e r a t i o n s s h o u l d b e g i v e n t o t h e o p t i m i z a t i o n o f s i l i c a f u m e c o n t e n t f o r a c h i e v i n g a r e a s o n a b l y w o r k a b l e m i x w h i c h i s c a p a b l e o f u n i f o r m a l l y d i s p e r s i n g f i b e r s . d . W a t e r C o n t e n t T h e i n c r e a s e i n w a t e r b i n d e r r a t i o i s o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . 1 0 t o i m p r o v e t h e f l o w a n d w o r k a b i l i t y o f t h e f r e s h f i b r o u s m i x e s , b u t t o h a v e n o s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . T h e i m p r o v e m e n t s i n f l o w a n d w o r k a b i l i t y g e n e r a l l y t a k e p l a c e a t a d e c r e a s i n g r a t e w i t h i n c r e a s i n g w a t e r c o n t e n t . e . S u e s t ' C o n t e n t F i g u r e 2 . 1 1 p r e s e n t s t h e e f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s . T h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t i s o b s e r v e d i n F i g u r e s 2 . 1 1 . a a n d 2 . l l . b t o s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e f l o w a n d e s p e c i a l l y t h e s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f f r e s h . f i b r o u s m i x e s . A s f a r a s t h e d i s p e r s a b i l i t y o f c a r b o n f i b e r s i s c o n c e r n e d , t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t u p t o a c e r t a i n l e v e l i s o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . l l . c t o h a v e s o m e p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e u n i f o r m d i s p e r s i o n o f f i b e r s . B e y o n d t h i s l i m i t , h o w e v e r , f i b e r d i s p e r s a b i l i t y s e e m s t o b e i n d e p e n d e n t o f t h e s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t . 3 7 F l o w ( 2 ) 1 5 0 . — 1 2 0 ' - 9 0 . — 6 0 . — 3 0 . . F i b e r L e n g t h L f ( i n ) I 0 . 2 5 g . 0 . 1 2 5 I I I I 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 S i l i c a f u m e / b i n d e r a . F l o w F i g n m L G : E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 2 % ) l i n - 2 5 . 4 m m 3 8 S u b j e c t i v e . 1 W o r k a b i l i t y d - F i b e r L e n g t h L f ( u fl I 0 . 2 5 C ? 0 . 1 2 5 I I I I 0 . 1 0 . 2 0 - 3 ° - ‘ S i l i c a f u m e / b i n d e r b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y F i g u r e 2 . 9 : ( c o n t i n u e d ) 3 9 S u b j e c t i v e F i b e r D i s p e r s a b i l i t y F i b e r L e n g t h L f ( i n ) I 0 . 2 5 . 0 . 1 2 5 T I V I I 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 S i l i c a f u m e / b i n d e r c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . F i g u r e 2 . 9 : ( c o n t i n u e d ) 4 O F l o w ( 2 ) 1 5 0 « — 1 2 0 . _ 9 0 . . , 6 0 _ , 3 0 " ‘ F i b e r L e n g t h L f ( i n ) O 0 . 1 2 5 I 0 . 2 5 0 I I I j 0 . 1 2 0 . 2 4 0 . 3 6 0 . 4 8 W a t e r / b i n d e r 3 . F l o w F i g u r e 2 . 1 0 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 1 8 , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 2 % ) l i n - 2 5 . 4 m m 4 1 S u b j e c t i v e W o r k a b i l i t y 5 . a a . . 3 . . 2 . - 1 . . F i b e r L e n g t h L f ( i n ) O 0 . 1 2 5 I 0 . 2 5 0 I I I I 0 . 1 2 0 . 2 4 0 . 3 6 0 . 4 8 R a t e r / b i n d e r b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y F i g u r e 2 . 1 0 : ( c o n t i n u e d ) D i s p e r s a b i l i t y - - - - - 1 - - - - - - . 4 2 S u b j e c t i v e F i b e r 4 . 1 3 . a 2 . — 1 " ‘ F i b e r L e n g t h L f ( i n ) O 0 . 1 2 5 | 0 . 2 5 0 I I I I 0 O 1 2 - 0 . 2 4 0 . 3 6 0 . 4 8 R a t e r / b i n d e r c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y F i g u r e 2 . 1 0 : ( c o n t i n u e d ) 4 3 F l o w ( 2 ) 1 5 0 . — 1 2 0 . - 9 0 . _ 6 0 . - 3 0 - F i b e r L e n g t h L f ( i n ) O 0 . 1 2 5 I ! 0 . 2 5 0 I I I I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 S u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r ( Z ) a . F l o w F i g u r e 2 J J ; E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 2 % ) l i n - 2 5 . 4 m m 4 4 S u b j e c t i v e W o r k a b i l i t y F i b e r L e n g t h L f ( i n ) ‘ 0 0 . 1 2 5 I 0 . 2 5 I I I I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 S u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r ( 2 ) b . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y F i g u r e 2 . 1 1 : ( c o n t i n u e d ) c . S u b j e F c i t g i u v r e e f 2 i . b e r d i 1 1 : ( c / b i n d e r ( Z ) S u p s o p n e e t r p l r i s n a a s t i b i c l i z e i t r y u e d ) 4 5 S u b j e c t i v e F i b e r D i s p e r s a b i l i t y G 4 A F i b e r l e n g t h L f ( i n ) C 0 . 1 2 5 . 0 . 2 5 I I I I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 a p A b v o s i e r h l r l t i a a a t n g n y d ' s e t l v o f e a p c n r i o g i t m t c a p . h h t a - b a s T e h d i i o n r a b l s e c n s i c a r a r b o n f i b e r s i b s t o h n o e b f s i f e b r l e v o r e w d , r e i i w n n s o f h F o r o i r w g c k v a r e i a u e r b d l c i i 2 e . m a t 1 e t y 2 n i t o t a n o m s i n i n g e n e r d x f i t u r e e e r t a b s h t e . a s d c o i t m s u e p a l i m e r s a 4 6 f . V a r i a b i l i t y o f F i b e r L e n g t h g . o T ' m e 0 s h M ' x o w a b ' l i t C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s w i t h s i l i c a f u m e g e n e r a l l y t e n d t o l o s e w o r k a b i l i t y r a t h e r r a p i d l y . F i g u r e 2 . 1 3 p r e s e n t s t h e f l o w t e s t r e s u l t s f o r t y p i c a l c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s a t 1 , 4 , a n d 1 0 m i n u t e s a f t e r t h e c o m p l e t i o n o f m i x i n g . S i m i l a r t e n d e n c i e s w e r e o b s e r v e d i r r e s p e c t i v e o f t h e s p e c i f i c m i x p r o p o r t i o n s . O n t h e a v e r a g e , t h e f r e s h m i x f l o w s a t 4 a n d 1 0 m i n u t e s a f t e r m i x i n g w e r e 8 5 % a n d 7 0 % , r e s p e c t i v e l y , o f t h e f l o w a t 1 m i n u t e a f t e r m i x i n g . T h e f a s t h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s a n a d v a n t a g e i n a p p l i c a t i o n b y t h e s p r a y i n g t e c h n i q u e , b u t ' i t a l s o m a y b e a d i s a d v a n t a g e i n s o m e a p p l i c a t i o n s i n t h e s e n s e t h a t i t r e d u c e s t h e t i m e a v a i l a b l e a f t e r m i x i n g f o r a p p l i c a t i o n o f t h e m a t e r i a l . T h e r a t e o f h a r d e n i n g o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c a n b e c o n t r o l l e d t h r o u g h t h e u s e o f s e t r e t a r d e r s . 2 . 5 . e m e t 0 a m o n a r d e n e a t e ' a A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s c o n d u c t e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d t h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s , o n t h e f l e x u r a l , d i r e c t t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e o b j e c t i v e i n t h i s p h a s e o f t h e 4 7 3 0 - F i b e r d e s i g n a t i o n 0 S h o r t I l o n g 0 1 I I I I 0 1 2 3 4 V o l u m e F r a c t i o n v f ( z ) a . F l o w F i g u r e 2 . 1 2 : T y p i c a l v a r i a t i o n s i n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t d u e t o v a r i a t i o n s i n f i b e r l e n g t h ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 4 1 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 0 1 8 , a n d f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 5 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m - b . F i g S u u r b e j e c t 2 . 1 i 2 v : e w o r k a b i l ( c o n t i n u e y i d t ) 4 8 S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y - - - - - - - - - . ~ — I \ \ x \ \ \ \ \ \ ' _ F i b e r d e s i g n a t i o n 0 s h o r t I l o n g T T I I 0 1 2 3 4 V o l u m e F r a c t i o n v f ( 2 ) S u b j e c t i v e e r D i s p e r s a b F 4 i . b : t y i r a l ‘ i * c . S u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y F i g u r e 2 . 1 2 : ( c o n t i n u e d ) 4 9 — . — — . . - - - - - - - - - . - - - - - - - . I \ \ \ \ \ \ \ \ \ ‘ I \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ' F i b e r d e s i g n a t i o n 0 s h o r t I l o n g I I I 0 1 2 3 V o l u m e F r a c t i o n v f ( 2 ) 5 0 F l o w / F l o w a t o n e m i n u t e a f t e r m i x i n g 1 . 0 - 1 0 . 8 " ‘ ’ i A A A 0 . 6 - ‘ ‘ 0 . 4 I I 1 0 1 4 1 0 T i m e a f t e r m i x i n g ( m i n u t e s ) F i g u r e 2 . 1 3 : E f f e c t o f t i m e o n f l o w o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . o o s d e e w p k s r c a c t s s e b w s e b c t x p p x e o r e x t e e r t e o n e a a o o u u h r m m d r n i k f i i i u e m z m d i g r o i o b m t n n e r u e e k t n c r s r i c o n e r p r c i a t n u p t t c e p c n p e i i i t l e t e n e r r a b m s o c s a i s n i d m n p i e i i t p d o t t p e a s e h s n s e t n t e e t n l l v l d n e e n r n d e h c a I v c t g o a g a o e o a e d d T i u t i t f e e e f r w s d a w d d s a m r o l a e a i l i t l f w o f s t i y t c t o t b i a x 0 h r i t t f m s l l r n t s e a b c t a . a e h r c h o e i s e e t g a o e d e t t t t r e w e d s m h h c i z 3 s k w 0 z t o 2 3 e c a i s 4 x t h l . p r e h a g e e e s t p e e i u c r o r u i o % - z t n i l d s b o h a c a n e l o t d n r e o h r e a o r d e l ( n r i 9 r a t e o o n m m - y t l s n t r f g k t s d o e s a n b e b o m w i a r b i i e o l r c d t h s m o a h o p p a o u n t g m r n t c l c c e o x i s i i i o i r e e i e s n a p w e o m x n n l d n s t t t o h d e r t s o n r i r a a d t i s i s e i a m n t a d s r , u t e n t o t i u n o e t t i n t n o b r e i u a y d f b h r p c i t n p i a g a n h e e g d o o n t r n t a e o d r w r t n t a d t a p r i i m e c f l a t e l o a p a u e n t u i o f f c h g s i r t f i o n t l t u v t f e 0 e 6 h s o o e f l n o e f b a t s s r l n t e n i d a r r e m a l a e w i a b o r t h e s e i i o . i n m m f i e s d t r o % a s r d s t w i i , f n r t d d n t r h w l e t r i t e e e d o a t u r s r e p a r a t g h a i n b t i e . t f i y b s a y t m i w e f m n t r s t i i h n r n e t x z . h e o t s f t m o o h i u i r r t u d h t e x s e c r m t h e i a a b z e f l n g e r t h A e t a r m g e e i e r e d t v e f a t o w w t h e t r s a a a m i c o T t h e l i e s n g p e o p c i t r e t r c o t n a e s . f e s s s n t i o x f s i a a h d i r e o o w s e u i s . t n m u x o r s m e r o s s u e d h a e b s o s e s h t h o e c a p y n a n u t b m s p g e n - r e d n T u i a t c r b r f h c n l r t p a e n o h o o s h o o s t t i i s s i t r c s e p r w b x t y n d f l n n m o a a y e w e e e o o , s a r t i m g f w l i i n o b r n a e i . i t a r p l v t o h , n h e t i ) n t t i o o r l r . u i t o c d r r w s i p m w t a s r h s 3 n l e . e c i r r n r s v p i r e f o e 2 e m s p r a e o s e h h b e c k a a u f - e e r T c d v i r % u p i c e r o d i e . b i C s s e e o i s z a l d i e e r n e r r i t m l n n a t c s i n c r b l c i a i j e f o g n t n i o . r e m g n x e n e c s y A d a i m o a e i i d f d g t n p d r t c a l p v a m a t i i t p p t c t e r b o o n l o o y i c s w t z t h s e r d e t i n e h i s i s a n e t s I w i e l s a t . i a l i t h e a t t T a T o i z s a p t n i b v f a d i t i o t e o i . n g u n m f s l u o a e g i s g l s n f m g l i e r d w n t d h h l a c , a f u a t v c h h s e t r i r b h b s c h e o e n o l i n h e t e e o e e r s y e r e e e s , d n r r d s e d n a i n o i t h t e s e o i u s i s r i . i d e n A 5 1 s p e c i m e n s w e r e c u r e d i n a i r ( a t a b o u t 7 2 ' F a n d 6 0 % R H ) f o l l o w i n g 5 2 T a b l e 2 . 9 : M i x p r o p o r t i o n s f o r t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o n s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . w / ( c + e ) S P / ( c + s ) L f i n ( m m ) V f ( % ) s / ( c + a ) l / 4 ( 6 ) 3 0 . 2 3 0 0 . 2 3 0 . 1 7 0 . 2 3 l / 8 ( 3 ) 3 0 . 2 6 0 . 2 9 0 . 3 0 0 . 0 3 5 0 . 2 3 3 0 . 2 3 l / l 6 ( l . 5 ) 5 0 . 2 3 0 . 2 9 7 0 . 2 3 5 0 . 2 3 l / 6 4 ( 0 . 4 ) 7 0 . 2 3 0 . 2 7 0 . 0 3 1 / 1 6 ( l . 5 ) 5 0 . 2 3 - w a t e r - c e m e n t - s i l i c a f u m e s p - s u p e r p l a s t i c i z e r - f i b e r l e n g t h V i - f i b e r v o l u m e f r a c t i o n 5 3 d e m o l d i n g a t t h e a g e o f 2 4 ' h o u r s . W h i l e i n m o l d s , t h e s p e c i m e n s w e r e c o v e r e d b y a p l a s t i c s h e e t . F o r e a c h m i x p r o p o r t i o n g i v e n i n T a b l e 2 . 9 , 9 f l e x u r a l s p e c i m e n s : 1 . 5 x 1 . 5 x 6 . 5 i n . ( 3 8 . 1 x 2 8 . 1 x 1 6 5 . 1 m m ) p r i s m s ( A S T M C 3 4 8 ) , 9 d i r e c t t e n s i l e s p e c i m e n s : 1 i n . ( 2 5 . 4 m m ) t h i c k b r i q u e t t s ( A S T M C 1 9 0 ) , a n d 6 c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s 2 i n . ( 5 1 m m ) d i a m e t e r b y 4 i n . ( 1 0 2 m m ) h i g h c y l i n d e r s ( A S T M C 1 0 9 ) w e r e c o n s t r u c t e d . T h e s p e c i m e n s w e r e c a s t i n o n e l a y e r a n d c o m p a c t e d e x t e r n a l l y o n a v i b r a t i o n t a b l e . T h e f l e x u r a l t e s t s w e r e p e r f o r m e d a c c o r d i n g t o A S T M C 3 4 8 w i t h t h r e e - p o i n t l o a d i n g a n d a s p a n o f 4 . 8 i n . ( 1 2 2 m m ) . T e s t s o n s p e c i m e n s w e r e p e r f o r m e d a t a g e s o f 4 , 1 2 a n d 2 8 d a y s , w i t h o n e - t h i r d o f t h e s p e c i m e n s t e s t e d a t e a c h a g e . T h i s w a s d o n e t o e s t a b l i s h n o t o n l y t h e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s s y s t e m s , b u t a l s o t h e d e v e l o p m e n t o f s t r e n g t h w i t h t i m e . 2 . 6 . e t u t s o n t e H a r d e n e d M a t e S t e t T h e g e n e r a t e d t e s t r e s u l t s a r e p r e s e n t e d i n t h i s s e c t i o n . T h e f o r m a t f o l l o w e d i n t h i s p r e s e n t a t i o n i s t o g i v e s t r e n g t h a s a f u n c t i o n . o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s . T h i s f o r m a t h e l p s i n e s t a b l i s h i n g t h e t r e n d s . i n t h e e f f e c t s o f m i x p r o p o r t i o n s o n s t r e n g t h , w h i c h i s t h e i n f o r m a t i o n n e e d e d f o r d e t e r m i n i n g t h e o p t i m u m m i x c o m p o s i t i o n s . T h e m i x v a r i a b l e s c o n s i d e r e d w e r e : f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , f i b e r l e n g t h , m i c r o s i l i c a c o n t e n t , a n d w a t e r - b i n d e r r a t i o . T h e s t a n d a r d t e s t a g e u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s 1 2 d a y s . T h e e f f e c t s o f a g e o n s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s p r e s e n t e d a t t h e e n d o f t h i s s e c t i o n . f i b e r r e i n f o r c e m e n t c o u l d p o s s i b l y b e d u e t o t h e i n c r e a s e i n e n t r a p p e d 5 4 a . t o a r b o n b e V o l u m e a c t ' o T h e i n c r e a s e i n v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s w i t h d i f f e r e n t l e n g t h s s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e s t h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s b u t r e d u c e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e ( s e e F i g u r e 2 . 1 4 f o r t h e a v e r a g e t e n d e n c i e s ) . T h e i n c r e a s e i s f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s r e s u l t i n g f r o m c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e r o l e o f f i b e r s i n a r r e s t i n g m i c r o c r a c k s a n d d e l a y i n g t h e i r p r o p a g a t i o n . T h e l o s s ‘ i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m c a r b o n a i r c o n t e n t i n t h e p r e s e n c e o f c a r b o n f i b e r s . T h e r a t e o f i n c r e a s e i n f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s w i t h i n c r e a s i n g f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t e n d s t o d r o p a s t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n e x c e e d s 4 % , d u e t o t h e p r o b l e m s w i t h f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y a t h i g h f i b e r c o n t e n t s ( w h i c h r e s u l t i n e x c e s s i v e e n t r a p p e d a i r c o n t e n t a n d f i b e r b a l l s i n t h e m a t e r i a l ) . T h e r a t e o f d e c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g f i b e r c o n t e n t , h o w e v e r , s l o w s d o w n a t h i g h e r f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , p o s s i b l y d u e t o t h e i n c r e a s e i n t h e c o n f i n e m e n t p r o v i d e d b y f i b e r s . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t , a s s h o w n i n l a t e r p h a s e s o f t h e s t u d y , m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h o p t i m i z i n g t h e c u r i n g c o n d i t i o n s o f t h e m a t e r i a l . b . o ' b e t T h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s i n c o r p o r a t i n g 3 a n d 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s i n c r e a s e a t a d e c r e a s i n g r a t e a s t h e f i b e r l e n g t h i n c r e a s e s u p t o a b o u t 1 / 8 i n . ( 3 m m ) . T h e r e a f t e r , t h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s s t a r t t o d r o p a s t h e f i b e r l e n g t h i n c r e a s e s ( s e e F i g u r e s 2 . 1 5 . a a n d 5 5 F l e x u r a l s t r e n g t h ( p s i ) 2 . 5 0 0 - L f ( i n ) _ _ _ _ _ . . 0 . 0 1 5 6 - - - - - ' 0 . 0 6 2 5 — — _ — . ' 0 . 1 2 5 2 . 0 0 0 - 1 ' 5 0 0 ‘ l . 0 0 0 - 5 0 0 " V o l u m e f r a c t i o n 1 I 2 a 3 v i a ) a . F l e x u r a l s t r e n g t h F i g u r e 2 . 1 4 : A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a b . T e n s i l e s t r e n g t h 2 . 5 0 0 ' - 2 , 0 0 0 ' - l . 5 0 0 - 1 . 0 0 0 - 5 0 0 . . S 6 T e n s i l e s t r e n g t h ( p s i ) _ 0 . 0 1 5 0 - — ¢ - — 0 . 0 6 2 5 - - - - . 0 . 1 2 5 . . . — - ” : : : ° . : : . L " ‘ — ' — ' - . - . " , " . — ' fl : : ; — " " " ' " " " = 1 = = = = — I n . ’ ” " _ / ‘ g J - v ” 1 2 4 ' a t F i g u r e 2 . 1 4 : ( c o n t i n u e d ) V o l u m e f r a c t i o n v f ( 2 ) C o m p r e s s i v e s t r e n g t h c . C o m p r e s s i v F i g u r e 2 . 1 4 : e ( s t r e n g t h c o n t i n u e d ) 5 7 ( p s i ) 2 . 5 0 0 2 , 0 0 0 1 . 5 0 0 1 . 0 0 0 L g ( i n ) 0 . 0 1 5 6 - - - - ' 0 . 1 2 5 5 0 0 " V o l u m e I I I f r a c t i o n 4 2 6 v f ( z ) 5 8 2 . 1 5 . b ) . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f f i b r o u s c o m p o s i t e s w i t h 3 a n d 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h , b u t t h i s t e n d e n c y s l o w s d o w n o r e v e n r e v e r s e s a t h i g h e r f i b e r l e n g t h s ( F i g u r e 2 . 1 5 . c ) . T h e e f f e c t o f f i b e r l e n g t h o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c a n b e i l l u s t r a t e d , a s m e n t i o n e d i n t h e d i s c u s s i o n o n v o l u m e f r a c t i o n , b y t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y a n d t h e c o n s e q u e n t i n c r e a s e i n e n t r a p p e d a i r r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h o n o n e h a n d , a n d o n t h e o t h e r h a n d , b y t h e h i g h e r e f f i c i e n c y o f l o n g e r f i b e r s i n c o n f i n i n g c e m e n t c o m p o s i t e s . c . e t t e n M i c r o s i l i c a i m p r o v e s t h e p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s i n t h e h a r d e n e d s t a t e b y u n i f o r m l y d i s p e r s i n g t h e f i b e r s a n d e n h a n c i n g t h e f i b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d . T h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x i s , h o w e v e r , d a m a g e d b y t h e p r e s e n c e o f m i c r o s i l i c a . T h i s m a y h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s . A s s h o w n i n F i g u r e s 2 . 1 6 . a a n d 2 . 1 6 . b , t h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s o f t h e f i b r o u s c o m p o s i t e t e n d t o i n c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e i n m i c r o s i l i c a - b i n d e r r a t i o u p t o a m i c r o s i l i c a - b i n d e r r a t i o o f a b o u t 0 . 2 3 . T h e r e a f t e r , t h i s t e n d e n c y s t a r t s t o r e v e r s e d u e t o t h e w o r k a b i l i t y p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f m o r e t h a n 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . . ( 3 m m ) f i b e r s . C o m p o s i t e s w i t h 0 . 2 3 m i c r o s i l i c a - b i n d e r r a t i o h a v e r o u g h l y 2 5 % m o r e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s t h a n t h e o n e s w i t h 0 . 1 7 m i c r o s i l i c a - b i n d e r r a t i o . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s c o n s i s t e n t c y i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e i n m i c r o s i l i c a - b i n d e r r a t i o f r o m 0 . 1 7 t o 0 . 2 6 ( s e e F i g u r e 2 . 1 6 . c f o r a v e r a g e t e n d e n c i e s ) . 5 9 2 , 5 0 0 q F l e x u r a l s t r e n g t h ( p s i ) % ( m 2 . 0 0 0 d 3 - — — — 5 1 , 5 0 0 — 1 . 0 0 0 5 0 0 f i b e r l e n g t h I I 1 T t ” I L f ( i n ) 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 0 . 2 5 a . F l e x u r a l s t r e n g t h F i g u r e 2 . 1 5 : A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r ’ - 3 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a b . T e n s i l e s t r e n g t h 6 0 T e n s i l e s t r e n g t h ( p s i ) 2 , 0 0 0 " 1 . 5 0 0 . . v f ( 2 ) 1 . 0 0 0 - 3 . u . _ s 5 0 0 - I I I I i 1 f i b e r 0 . 0 5 o . 1 0 0 . 1 5 o . 2 0 o . 2 5 l c n s t h L f ( 1 n ) F i g u r e 2 . 1 5 : ( c o n t i n u e d ) c . C o m p r e s s F i g u r e 2 . 1 5 i : v e s t r e n g t h ( c o n t i n u e d ) 6 1 C o m p r e s s i v e s t r e n g t h 2 , 5 0 0 J ( p s i ) 2 , 0 0 0 “ 1 . 5 0 0 ‘ I I 1 . 0 0 0 - v f ( Z ) — 3 5 0 0 - " ' 5 I I 4 1 T ’ ' f i b e r 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 0 0 . 2 5 h a s “ L f ( i n ) 6 2 F l e x u r a l s t r e n g t h 2 . 0 0 0 “ 1 . 5 0 0 ' I 4 ’ " ~ , , \ / — > - — \ ~ 1 . 0 0 0 “ - — - — 3 0 . 1 2 5 5 0 0 ‘ — — — 5 0 . 0 6 2 5 ' m i c r o s i l i c a / c e m e n t I 0 . 1 0 . 2 0 3 3 0 3 4 0 3 5 « l o a . F l e x u r a l s t r e n g t h F i g u r e 2 . 1 6 : A v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f m i c r o s i l i c a c o n t e n t o n s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % , f i b e r l e n g t h - 1 / 8 i n , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a b . T e n s i l e s t r e n g t h F i g u r e 2 . 1 6 : ( c o n t i n u e d ) 2 . 0 0 0 1 . 5 0 0 1 . 0 0 0 5 0 0 T e n s i l e s t r e n g t h 6 3 ( p s i ) v f ( Z ) L : ( i n ) - — — _ 3 0 . 1 2 5 _ _ _ 5 0 . 0 6 2 5 / ’ . — ' ‘ ‘ , m i c r o s i l i c a / c e m e n t I l r ' s / c 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 c . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 2 . 1 6 : ( c o n t i n u e d ) 6 4 C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( p s i ) 3 , 0 0 0 - ‘ 1 . 5 0 0 " 1 , 0 0 0 " . _ — _ — _ — — 3 0 . 1 2 5 5 0 0 " ' - — — _ . 5 0 . 0 6 2 5 m i c r o s i l i c a / c e m e n t l I 1 ' , a l e 0 . ] . ‘ 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 6 5 d . W e C o T h e f l e x u r a l , t h e t e n s i l e , a n d e s p e c i a l l y t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w e r e o b s e r v e d t o i n c r e a s e w i t h d e c r e a s i n g w a t e r - b i n d e r r a t i o . F i g u r e 2 . 1 7 p r e s e n t s t h e a v e r a g e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n t h e s t r e n g t h f i b r o u s c o m p o s i t e u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s s y s t e m s . e . e 0 t h t r e t o ' r - C u r d S m e A f t e r 4 , 7 a n d 1 2 d a y s o f a i r c u r i n g , t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s 4 0 % , 5 0 % a n d 9 5 % o f t h e 2 8 - d a y f l e x u r a l s t r e n g t h . T h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s f o r d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h w e r e 6 0 % , 9 0 % a n d 1 0 0 % . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a f t e r 7 a n d 1 2 d a y s o f a i r c u r i n g w e r e 6 0 % a n d 9 0 % o f t h e f u l l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w h i c h w a s r e a c h e d a t t h e a g e o f 1 8 d a y s . F i g u r e 2 . 1 8 p r e s e n t s t h e a v e r a g e t r e n d s i n s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f a i r - c u r e d s p e c i m e n s w i t h t i m e . C o m p a r e d t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , t h e g a i n i n s t r e n g t h o f a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s e e m s t o b e m o r e r a p i d . I n g e n e r a l , 1 2 d a y s o f a i r c u r i n g w a s s u f f i c i e n t f o r t h e m a t e r i a l t o d e v e l o p m o r e t h a n 9 0 % o f i t s s t r e n g t h . f . v V u e o f n h U n d e D ' f f e e n t v s T h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c a n g e t v e r y c l o s e t o t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h i s a l s o s u b s t a n t i a l l y g r e a t e r t h a n t h e t e n s i l e s t r e n g t h i n c a r b o n f i b e r c e m e n t . A t 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e f l e x u r a l s t r e n g t h r a n g e s f r o m 7 0 % t o 1 0 0 % o f t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d e p e n d i n g o n t h e f i b e r l e n g t h , w h i l e t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h i s 6 6 S t r e n g t h \ . \ . 2 , 0 0 0 . . . \ . \ C o m p r e s s i v e S t r e n g t h \ 0 \ O \ O 1 . 5 0 0 . 1 \ . F l e x u r a l \ S t r e n g t h ' \ . \ 1 , 0 0 0 — _ T e n s i l e ‘ ‘ ~ ‘ S t r e n g t h ‘ ‘ ~ ‘ s \ \ x I I I I I 0 . 2 2 5 0 . 2 5 0 0 . 2 7 5 0 . 3 0 0 0 . 3 2 5 0 . 3 5 0 w a t e r / b i n d e r ' 2 . 1 7 : A v e r a e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f w a t e r ' c o n t e n t o n F i g u r e s t r e n g g h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( S i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 3 . 4 % , f i b e r l e n g t h - l / 8 i n , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a ‘ 1 . 5 V 1 2 ' 1 8 2 8 ' a a g y e s ) ( d 6 7 s t r e n g t h / Z B - d a y s t r e n g t h 1 . 0 . l " " 0 . 8 - 0 . 6 - . . _ . _ . f l e x u r a l s t r e n g t h - - - . . - t e n s i l e s t r e n g t h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o . ' 2 - F i g u r e 2 . 1 8 : . A v e r a g e t r e n d s i n s t r e n g t h d e v e l o p m e n t f o r a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . t a n v a e r s e g b x s t o u a l s h u r i o , l e t w o o c w f f s i n f o t h l i n l m r i e b e y p e c f x e l l u r r n h 2 i s o h n 5 s e t t % o c c t n r o c c m e o r r e e s t p p r s t m m g f o o n p a s a h r a e i h d c e e r s o n . i s e s n g s c s d i t d i o T t v r i h m h w v e i t e p i e i e b r o s t u e s s t f r f i t e h n t v x g c l s o e f e i n n i r t f e e o e t u i a n r n g t r e h t s . l s a n i e h l t m c u f r a y l f e e y t e n s s o c i g t h . b t f m T t t e a h r r i e v e e f t a i e n n e t b r g g e t l e t r T r o t u h l i h a s s h e a b , d e t u i a l d d d e i u r t n u i c o n e e n v f o i o r a e n l l t r t c y d d t h v e h b c t a l e e e f i e l d h r s e t r t d t g y e i x u h e a n u d c s h e g r u t f i a r e i f g l f i a l h n e l r x o t i t i c t g e l o t a u a o s y i o o a h o h s o f e l e f f , a s t p i r c o v i d e s 6 8 f i b r o u s m a t e r i a l b e h a v i o r i n i n c r e a s i n g f l e x u r a l s t r e n g t h . g . t e R e R e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r s w a s o b s e r v e d i n s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h i s w a s e s p e c i a l l y t r u e f o r t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s . T h i s s c a t t e r c o u l d b e c a u s e d b y t h e d e p e n d e n c e o f f i b e r e f f i c i e n c y o n s o m e h i g h l y v a r i a b l e f a c t o r s i n c l u d i n g : f i b e r d i s p e r s a b i l i t y , b o n d i n g o f . f i b e r s t o t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d f i b e r e f f e c t s o n p o r e s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a t r i x . T h e v a r i a t i o n s i n c a r b o n f i b e r l e n g t h i s a n o t h e r f a c t o r c o n t r i b u t i n g t o t h e v a r i a b i l i t y o f t e s t r e s u l t s . T h u s , i t i s n o s u r p r i s e t h a t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s h o w s m o r e v a r i a t i o n s i n s t r e n g t h t e s t r e s u l t s t h a n p l a i n c o n c r e t e . 2 . 7 . W A n e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h w a s c o n d u c t e d t o e s t a b l i s h t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s . T h e v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y w e r e : f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , f i b e r l e n g t h , s i l i c a f u m e - 6 9 b i n d e r r a t i o , w a t e r - b i n d e r r a t i o , s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o , v a r i a b i l i t y i n f i b e r l e n g t h , a n d t i m e e l a p s e d a f t e r m i x i n g . T h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s i n v e s t i g a t e d w e r e : f l o w , s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y a n d s u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . A l l m i x e s w e r e m a n u f a c t u r e d i n a c o n v e n t i o n a l m o r t a r m i x e r . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t e s t r e s u l t s : 1 . S i l i c a f u m e i s a n e f f e c t i v e a d d i t i v e i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s f o r i m p r o v i n g t h e a b i l i t y o f u n i f o r m l y d i s p e r s i n g f i b e r s . T h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u m e , h o w e v e r , d a m a g e s t h e f l o w a b i l i t y a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x t u r e s . 2 . I n o r d e r t o s o l v e t h e w o r k a b i l i t y p r o b l e m s c a u s e d b y t h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u m e a n d f i b e r s i n c e m e n t i t i o u s m i x e s , i t i s e s s e n t i a l t o u s e r e l a t i v e l y l a r g e d o s a g e s o f s u p e r p l a s t i c i z e r . T h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t u p t o a c e r t a i n l i m i t a l s o i m p r o v e s f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . 3 . T h e i n c r e a s e i n w a t e r c o n t e n t i m p r o v e s t h e f l o w a b i l i t y a n d ' w o r k a b i l i t y ' o f f i b r o u s m i x e s a t a g r a d u a l l y d e c r e a s i n g r a t e , b u t d o e s n o t i n f l u e n c e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . 4 . T h e f l o w a b i l i t y , w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a r e a d v e r s e l y i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h i s e f f e c t i s m o r e p r o n o u n c e d f o r l o n g e r f i b e r s . 5 . . T h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y t e n d s t o b e d a m a g e d , a t a g e n e r a l l y d e c r e a s i n g r a t e , w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h . T h e d i s p e r s a b i l i t y o f f i b e r s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a l s o t e n d s t o b e d a m a g e d a s t h e f i b e r l e n g t h i n c r e a s e s . T h e v a r i a b i l i t y i n c a r b o n l e n g t h g e n e r a t e s r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s i n t h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 7 O 6 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s w i t h s i l i c a f u m e h a v e r e l a t i v e l y s h o r t s e t t i n g t i m e s . T h e i r f l o w d r o p s b y a b o u t 1 5 % a n d 3 0 % a t 4 a n d 1 0 m i n u t e s a f t e r m i x i n g , r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e d t o t h e i r f l o w a t 1 m i n u t e a f t e r m i x i n g . A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s a l s o c o n d u c t e d o n t h e f l e x u r a l , d i r e c t t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : l . T h e f l e x u r a l t h e a n d d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n c r e a s e , a t a d e c r e a s i n g r a t e , w i t h t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n u p t o a n o p t i m u m v a l u e b e y o n d w h i c h t h i s t e n d e n c y s t a r t s t o r e v e r s e . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , h o w e v e r , d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g f i b e r v o l u m e f r a c t i o n u p t o a p o i n t b e y o n d w h i c h t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e n d s t o e i t h e r s t a y c o n s t a n t o r i n c r e a s e a s t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n i n c r e a s e s . 2 . T h e t e n d e n c i e s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n s t r e n g t h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e c a u s e d b y f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s i n c r e a s e a n d t h e n d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h , w h i l e t h e r e v e r s e i s t r u e f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . I 3 . M i c r o s i l i c a , d u e t o i t s p o s i t i v e e f f e c t s o n d i s p e r s a b i l i t y a n d b o n d i n g o f c a r b o n f i b e r s , i m p r o v e s t h e m a t e r i a l s t r e n g t h . A t a c e r t a i n m i c r o s i l i c a c o n t e n t , h o w e v e r , i t s n e g a t i v e e f f e c t s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y s t a r t t o o v e r s h a d o w t h e a d v a n t a g e s o b t a i n e d b y t h e u s e o f m i c r o s i l i c a . 4 . T h e l i m i t e d t e s t d a t a o b t a i n e d o n t h e e f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t i n d i c a t e d t h a t t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t g e n e r a l l y i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g w a t e r - b i n d e r r a t i o . 5 . A i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t d e v e l o p s s t r e n g t h a t a h i g h e r r a t e t h a n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . A f t e r 1 2 d a y s o f a i r c u r i n g , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t g a i n s m o r e t h a n 9 0 % o f i t s f u l l 7 1 s t r e n g t h . 6 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t h a s d i s t i n c t l y h i g h f l e x u r a l - t o - c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l - t o - t e n s i l e s t r e n g t h r a t i o s . T h e r e i s g e n e r a l l y a r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n t e s t r e s u l t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . C H A P T E R 3 E X P E R I M E N T A L P R O G R A M 3 . 1 . I n t r o d u g t i g n I n C h a p t e r 2 , P h a s e I ( t h e p r e l i m i n a r y p h a s e ) o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s p r e s e n t e d . T h e g o a l s o f P h a s e I w e r e t o o p t i m i z e t h e m a t e r i a l m i x p r o p o r t i o n s a n d f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h . A l a r g e n u m b e r o f m i x e s w e r e t e s t e d f o r f r e s h m i x f l o w a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n s . A i r c u r i n g w a s e m p l o y e d t h r o u g h o u t P h a s e I o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o j e c t a s a b a s i c c u r i n g c o n d i t i o n f o r o p t i m i z i n g t h e h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h . T h e o p t i m u m m i x p r o p o r t i o n s f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h m i x f l o w a b i l i t y a n d o p t i m u m h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h w e r e d e r i v e d i n C h a p t e r 2 . P h a s e I I ( t h e f i n a l p h a s e ) o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m , d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r , w a s p e r f o r m e d o n t h e o p t i m u m c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s s e l e c t e d u s i n g t h e r e s u l t s o f P h a s e I . T h e h a r d e n e d m a t e r i a l , i n t h i s p h a s e o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m , w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s . s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y u n d e r f l e x u r a l , t e n s i l e , c o m p r e s s i v e a n d i m p a c t l o a d i n g c o n d i t i o n s . F i v e d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s w e r e e x p e r i m e n t e d i n P h a s e I I i n o r d e r t o e x p l o r e t h e e f f e c t s o f c u r i n g e n v i r o n m e n t o n t h e m a t e r i a l l o a d - d e f o r m a t i o n d i a g r a m s u n d e r f l e x u r e , t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n . T h e o b j e c t i v e o f t h i s f i n a l p h a s e o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s t o d e r i v e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s r e q u i r e d f o r a c h i e v i n g t h e o p t i m u m m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 7 2 7 3 3 . 2 . t e r a n u f a c t u r i n a n d C u r i n M a t e r i a l s u s e d i n P h a s e I I o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w e r e o b t a i n e d f r o m t h e s a m e s o u r c e s o f m a t e r i a l s i n P h a s e I . T h e r e f o r e , t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f c e m e n t , s i l i c a f u m e , s u p e r p l a s t i c i z e r a n d c a r b o n . f i b e r s i n t r o d u c e d i n C h a p t e r 2 a l s o r e p r e s e n t t h e m a t e r i a l s u s e d i n P h a s e I I . T h i s a l s o a p p l i e s t o t h e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . C u r i n g c o n d i t i o n s h a v e s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e m a t e r i a l s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y i n t h e h a r d e n e d s t a t e . O n e o f t h e o b j e c t i v e s o f t h i s s t u d y w a s t o o p t i m i z e t h e c u r i n g p r o c e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s f o r a c h i e v i n g s u p e r i o r h a r d e n e d m a t e r i a l . m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s . F i v e d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s w e r e e m p l o y e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a s f o l l o w s : 1 . F o l l o w i n g t h e m i x i n g a n d c a s t i n g p r o c e s s e s : d e s c r i b e d i n C h a p t e r 2 , t h e m o l d e d m a t e r i a l s w e r e k e p t u n d e r a p l a s t i c s h e e t f o r 2 4 h o u r s ; 2 . T h e s p e c i m e n s w e r e d e m o l d e d a t t h e a g e o f 2 4 h o u r s , a n d w e r e a i r d r i e d f o r 1 2 h o u r s ( t h i s p r e c a u t i o n a r y m e a s u r e p r e v e n t s t h e s u r f a c e d e t e r i o r a t i o n o f y o u n g s p e c i m e n s i n m o i s t e n v i r o n m e n t s ) ; 3 . T h e s p e c i m e n s w e r e t h e n e x p o s e d t o t h e p r o s p e c t i v e c u r i n ’ g e n v i r o n m e n t s f o r 2 4 h o u r s . T h e s e e n v i r o n m e n t s w e r e : a . L a b o r a t o r y ' e n v i r o n m e n t w i t h a t e m p e r a t u r e o f 7 5 i S I P a n d a r e l a t i v e h u m i d i t y o f a b o u t 5 0 % ; b . U n d e r w a t e r a t a t e m p e r a t u r e o f 7 5 ° F ; c . U n d e r h o t w a t e r a t 1 7 5 ' F ; d . I n s t e a m r o o m a t 1 4 0 ° F a n d 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y ; a n d e . I n m o i s t r o o m a t 7 4 ° F a n d c l o s e t o 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y ; a n d 4 n . s d i t i o o r a t o r y T s n h v c e r i s e n p m d i r b o d e e e c i i n m e s e n t , n e i t w s p t a 3 f f h a t o t r e e r m 2 p 4 e e r x h a u , p o s o t u u r r s e r o e w f t o e r a e b c l o a n b a o m n v y e d o u t 7 5 ' f t o F o a t e h a c e u g r u r n d h u m i d i l i n a t r g y d e t e r m i n e d i n f l e x u r e , t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n t e s t s . B a s e d o n t h e 7 4 o f a b o u t 5 0 % u n t i l t h e t e s t i n g a g e . 3 . 3 . T e s t i f i e s a . . e . . . . ° o - e _ e _ o . d e . e d ; - - b - ' e . . - d e m - T h e f i r s t p a r t o f t h e p l a n w a s t o s t u d y t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d t h e c u r i n g p r o c e d u r e . o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r f l e x u r a l , c o m p r e s s i v e , t e n s i l e a n d i m p a c t l o a d i n g c o n d i t i o n s . T h e m i x p r o p o r t i o n s a d o p t e d h e r e w e r e d e r i v e d f r o m t h e f i r s t p h a s e o f r e s e a r c h o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c u r e d i n a i r ( c u r i n g c o n d i t i o n " a " i n s e c t i o n 3 . 2 ) . T h e s e m i x p r o p o r t i o n s w e r e f o u n d t o p r o d u c e m a x i m u m f l e x u r a l , t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s . T h e m i x e s u s e d i n t h i s p h a s e o f t h e r e s e a r c h c o n t a i n 3 % a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n s o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) l o n g f i b e r s , a n d 3 % o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) f i b e r s . I n a d d i t i o n t o t h a t , a c o n t r o l m i x ( c o n t a i n i n g n o f i b e r s ) w a s a l s o i n c l u d e d i n t h e t e s t p r o g r a m . T h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n a r e : s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o ( b y w e i g h t ) - 0 . 2 3 , w a t e r - b i n d e r r a t i o - 0 . 3 0 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o - 0 . 0 3 2 . A l l t h e m i x e s w e r e c u r e d i n t h e f i v e d i f f e r e n t c o n d i t i o n s i n t r o d u c e d e a r l i e r , a n d w e r e t e s t e d i n f l e x u r e , t e n s i o n , c o m p r e s s i o n a n d i m p a c t a t a n a g e o f 2 8 d a y s . T h e l o a d - d e f o r m a t i o n d i a g r a m s w e r e 7 5 g e n e r a t e d t e s t r e s u l t s , t h e o p t i m u m m i x d e s i g n a n d t h e o p t i n u n n c u r i n g c o n d i t i o n c a n b e d e t e r m i n e d . F o r e a c h m i x c u r e d i n a s p e c i f i c c o n d i t i o n , t h e f o l l o w i n g m a t e r i a l t e s t s p e c i m e n s w e r e c o n s t r u c t e d : 1 . S i x p r i s m a t i c f l e x u r a l s p e c i m e n s 1 . 5 x 1 . 5 x 6 . 5 i n . ( 3 8 . 1 x 2 8 . 1 x 1 6 5 . 1 m m ) a c c o r d i n g t o A S T M C 3 4 8 , f o r c e n t e r p o i n t l o a d i n g o n a s p a n o f 4 . 8 i n . ( 1 2 2 m m ) . T h e f l e x u r e t e s t w a s p e r f o r m e d u s i n g a s e r n n a - c o n t r o l l e d h y d r a u l i c t e s t m a c h i n e w i t h a c o n s t a n t q u a s i - s t a t i c d i s p l a c e m e n t r a t e ; 2 . S i x t e n s i o n b r i q u e t s w i t h a l i n x l i n ( 2 5 . 4 m m x 2 5 . 4 m m ) c r i t i c a l c r o s s - s e c t i o n ( A S T M C 1 9 0 ) . T h e t e s t w a s p e r f o r m e d o n a h y d r a u l i c t e s t m a c h i n e , w i t h a q u a s i - s t a t i c r a t e o f l o a d a p p l i c a t i o n , a n d t w o t r a n s d u c e r s w e r e u s e d f o r d i s p l a c e m e n t ( s t r a i n ) m e a s u r e m e n t s o v e r a g a g e l e n g t h o f l i n . ( 2 5 . 4 m m ) ; 3 . F o u r c y l i n d e r s 2 i n . ( 5 0 . 8 m m ) i n d i a m e t e r b y 4 i n . ( 1 0 1 . 6 m m ) i n h e i g h t ( A S T M C 1 9 0 ) . D i s p l a c e m e n t r a t e w a s q u a s i - s t a t i c , a n d t w o t r a n s d u c e r s w e r e u s e d f o r d i s p l a c e m e n t ( s t r a i n ) m e a s u r e m e n t s o v e r a g a g e l e n g t h o f 4 i n . ( 1 0 1 . 6 m m ) w h i c h i s t h e c y l i n d e r ' s h e i g h t ; a n d 4 . T h r e e 6 i n . ( 1 5 2 m m ) d i a m e t e r b y 2 1 / 2 i n . ( 6 1 . 5 m m ) h e i g h t c y l i n d r i c a l i m p a c t s p e c i m e n s 2 9 . T h e n u m b e r o f b l o w s f r o m a s t a n d a r d 1 0 l b ( 4 . 6 - K g ) m a s s d r o p p i n g a d i s t a n c e o f 1 8 i n . ( 4 5 4 . 2 m m ) r e q u i r e d t o c a u s e t h e f i r s t v i s i b l e c r a c k a n d t o c a u s e u l t i m a t e f a i l u r e a r e , b y d e f i n i t i o n , t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e i m p a c t s t r e n g t h s o f t h e m a t e r i a l . A n o u t l i n e o f t h e t e s t p l a n f o r t h i s p a r t o f t h e i n v e s t i g a t i o n o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s s h o w n i n T a b l e 3 . 1 . T a b l e 3 . 1 i u s s : T e s t ( l p i e c r a p f a u s m t e i l c 1 b i p l i a n n . f - o r 2 h . a 4 5 r d m e m n ) e d m a t e r i a l m e c h a n i c a l p M a t r i x F i b e r C u r i n g C o n r t i e s r d o p i t i e o n i z n e d r e / r b - n i 0 e . r 2 3 - d 0 . 0 3 2 7 6 i n w a t e r i n a i r V f - S e , L f — 0 . 0 6 2 5 i n i n h o t w a t e r i n s t e a m r o o m w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 0 i n m o i s t u r e i n w a t e r i n a i r V f - 3 e , L f - 0 . 0 6 2 5 i n i n h o t w a t e r i n s t e a m r o o m i n m o i s t u r e i n w a t e r i n a i r V f - 3 t , L f - l . 1 2 5 i n i n h o t w a t e r i n s t e a m r o o m i n m o i s t u r e i n w a t e r i n a i r v f - O e i n h o t w a t e r i n s t e a m r o o m i n m o i s t u r e r a t i o s a r e b y w e i g h t b i n d e r - c e m e n t + s i l i c a f u m e V - f i b e r v o l u m e f r a c t i o n L f - f i b e r l e n g t h 7 7 b . e v e o t r e n h w ' h T m e I n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e t r e n d s i n t h e d e v e l o p m e n t o f s t r e n g t h i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w i t h t i m e , a n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d i n w h i c h a s t a n d a r d m i x ( s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o - 0 . 2 3 , w a t e r - b i n d e r r a t i o - 0 . 3 0 , s u p e r p l a s t i c i z e r b i n d e r r a t i o - 0 . 0 3 2 , f i b e r l e n g t h - 1 / 1 6 i n . - 1 . 5 m m , a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 5 % ) w a s c u r e d i n a l l f i v e d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s a n d t e s t e d f o r f l e x u r a l s t r e n g t h a t t h e a g e s o f l , 4 , 7 , 1 0 , 1 5 a n d 2 8 d a y s ( 3 s p e c i m e n s a t e a c h a g e ) f o r e v e r y c u r i n g p r o c e d u r e . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h w a s u s e d h e r e t o r e p r e s e n t t h e s t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , n o t i n g t h a t f l e x u r a l b e h a v i o r d o m i n a t e s t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e r v i c e p e r f o r m a n c e o f t h e m a t e r i a l i n i t s p o p u l a r a p p l i c a t i o n s ( p a n e l - t y p e e l e m e n t s ) . p r o c e d u r e s ( m i x i n g a n d c u r i n g ) a n d t h e g e o m e t r y o f t e s t s p e c i m e n s a r e C H A P T E R 4 F L E X U R A L P E R F O R M A N C E C H A R A C T E R I S T I C S ‘ h l - i n u x g g s a i g n C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , a s a s u b s t i t u t e f o r a s b e s t o s c e m e n t , h a s f o u n d i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s i n t h i n - w a l l e d f l o o r a n d w a l l p a n e l s w h i c h a c t d o m i n a n t l y i n f l e x u r e u n d e r s e r v i c e c o n d i t i o n s . 5 ’ 6 ’ 1 2 ° l 7 U n r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s h a v e r e l a t i v e l y l o w f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d f a i l i n a b r i t t l e m a n n e r u n d e r f l e x u r a l l o a d s . F i b e r r e i n f o r c e m e n t ( c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n p a r t i c u l a r ) i s a n e f f e c t i v e t e c h n i q u e f o r i m p r o v i n g t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s u n d e r f l e x u r a l l o a d s . F i b e r s i m p r o v e t h e t e n s i l e s t r e n g t h , a n d e n h a n c e t h e t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e d u c t i l i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . T h e c o m b i n e d a c t i o n o f t h e s e f a c t o r s r e s u l t s i n m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e p e r f o r m a n c e o f f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s u n d e r f l e x u r a l l o a d s . I n t h i s c h a p t e r , f i r s t a c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s i s p r e s e n t e d , a n d t h e n t h e f l e x u r a l t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y a r e d i s c u s s e d . 4 . 2 . M a m a s ! T h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s i n f l u e n c e d b y t h e v o l u m e f r a c t i o n , d i m e n s i o n s a n d t y p e ( m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ) o f f i b e r s , a n d t h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . M a n u f a c t u r i n g 7 8 s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y w i l l b e h i g h e r a t f i b e r v o l u m e 7 9 a l s o a m o n g t h e f a c t o r s w i t h i m p o r t a n t e f f e c t s o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f t h e m a t e r i a l . T h e f o l l o w i n g s e c t i o n s w i l l r e v i e w t h e e f f e c t s o f t h e s e c r i t i c a l f a c t o r s o n t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d m o d u l u s o f r u p t u r e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . a . E i b g ; V o l u m e F r a g t i o g T y p i c a l f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n d i a g r a m s o b t a i n e d f o r p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a n d f i b r o u s c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t v o l u m e f r a c t i o n s o f c a r b o n f i b e r s a r e c o m p a r e d i n F i g u r e 4 . 1 . a 1 4 . t h e d r a m a t i c i m p r o v e m e n t s i n f l e x u r a l b e h a v i o r a r e o b v i o u s i n t h i s f i g u r e . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e i m p r o v e m e n t s i n f l e x u r a l b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s d u e t o c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t t e n d t o o c c u r a t a d e c r e a s i n g r a t e w i t h i n c r e a s i n g c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( t h i s c o u l d p o s s i b l y b e d u e t o p o t e n t i a l w o r k a b i l i t y p r o b l e m s a t h i g h f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s ) . S o m e i m p o r t a n t a s p e c t s o f t h e t e s t d a t a i n F i g u r e 4 . 1 . a a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 4 . 1 . b a n d 4 . 1 . c 1 4 . F i g u r e 4 . 1 . b s h o w s t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s , a n d F i g u r e 4 . 1 . c s u m m a r i z e s t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e t o t a l f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e c o m p o s i t e . A c c o r d i n g t o F i g u r e 4 . 1 . b , a t a f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f a b o u t 3 % , t h e f l e x u r a l s t r e n g t h i n c r e a s e s b y a b o u t 1 2 0 % o v e r t h a t o f t h e p l a i n m a t r i x . T h e c o r r e s p o n d i n g i n c r e a s e i n f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i s a b o u t 3 0 t i m e s . T h e p e r c e n t a g e i m p r o v e m e n t s i n f r a c t i o n s g r e a t e r t h a n 3 % . a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s F i g u r e 4 . 1 : - 4 8 0 F l e x u r a l s t r e s s ( K s i ) A 1 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n L " — j l ‘ 1 v f ( . ) A K 4 3 . 2 . 4 1 . 7 0 1 I I I I I T 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 0 . 1 2 D e f l e c t i o n ( i n ) E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c e m e n t c o m p o s i t e s ) “ ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r - c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 8 1 5 _ J M o d u l u s o f r u p t u r e ( K s i ) 4 ' 1 3 - # 2 — 1 — 0 I I I I I 0 1 2 3 4 5 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n v { ( 2 ) b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n 2 0 . . c a p a c i t y ( l b . i n ) 1 0 . . 0 ‘ I I I I I I I I 0 1 2 3 4 5 i b e r v o l u m e f r a c t i o n v f ( 2 ) F i g u r e 4 . 1 ( c o n t i n u e d ) i n c r e a s e i n f i b e r t e n s i l e s t r e n g t h ( s e e F i g u r e s 4 . 3 . a a n d b ) . T h i s 8 2 b . b e e n t F i g u r e s 4 . 2 . a , b a n d c s h o w t y p i c a l e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h a t d i f f e r e n t v o l u m e f a c t i o n s o n t h e o v e r a l l f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s , a n d f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . 1 2 T h e f i b e r l e n g t h s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 r a n g e f r o m 3 m m ( 0 . 1 2 5 i n . ) t o 1 0 m m ( 0 . 4 i n . ) , c o v e r i n g p r a c t i a c l l y a l l t h e f i b e r l e n g t h s u s e d i n t h e p a s t . I t m a y b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e 4 . 2 t h a t t h e 3 m m c a r b o n f i b e r s a r e m o r e e f f e c t i v e t h a n t h e 1 0 m m o n e s i n i n c r e a s i n g t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r f l e x u r a l l o a d i n g . S h o r t e r f i b e r s a r e m o r e e f f e c t i v e , p o s s i b l y b e c a u s e t h e y d e v e l o p l e s s f r e s h m i x w o r k a b i l i t y p r o b l e m s a n d t h u s r e s u l t i n a b e t t e r c o m p a c t i o n o f t h e c o m p o s i t e . T h e d e s i r a b l e b o n d b e t w e e n c a r b o n f i b e r s a n d c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s , w h i c h r e s u l t s i n f i b e r r u p t u r e p r i o r t o p u l l - o u t a t r e l a t i v e l y s h o r t e m b e d m e n t l e n g t h s u n d e r t e n s i o n , m i g h t b e a n o t h e r f a c t o r f o r t h e d a m a g i n g e f f e c t s o f l o n g e r f i b e r s o n t h e i r e f f e c t i v e n e s s i n i m p r o v i n g t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s . 1 5 c o m p O S i t e s . c . F i b e r I e n s i l e S t r e n g t h T h e e f f e c t o f f i b e r t e n s i l e s t r e n g t h ( o r i n g e n e r a l f i b e r q u a l i t y ) o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s i n v e s t i g a t e d i n R e f e r e n c e 1 7 . A s s h o w n i n F i g u r e 4 . 3 , t h e f i r s t c r a c k s t r e n g t h o f t h e f i b r o u s c o m p o s i t e i s o n l y s l i g h t l y a f f e c t e d b y t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r s , a n d i t e x c e e d s t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f t h e m a t r i x b y a b o u t 1 0 % t o 5 0 % . H o w e v e r , t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a s w e l l a s t h e d e f l e c t i o n a t m a x i m u m f l e x u r a l l o a d s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e a s a r e s u l t o f t h e F i g u r e 4 . 2 : 8 3 F l e x u r a l s t r e s s ( K s i ) F i b e r v o l u m e f r a c t i o n . . ’ 0 ‘ V i ( 2 ) I , I ’ I I I I I I 9 I I \ I \ \ 1 \ \ 5 \ \ I \ \ \ " 1 \ \ ‘ \ \ \ F i b e r l e n g t h \ \ \ L ( i n ) \ \ \ f \ ‘ \ \ \ \ \ \ 0 . 1 2 o \ \ \ \ \ ‘ ~ ~ ~ _ _ _ _ _ , 0 . 3 9 I I I I I I 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 0 . 1 2 D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n c u r v e s . E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 2 s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x l 6 x l K s i . - 6 . 9 b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) 8 4 5 _ 1 M o d u l u s o f r u p t u r e ( K s i ) F i b e r l e n g t h I I I I I 0 1 2 3 4 5 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n v f ( : ) F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n 2 0 - 4 c a p a c i t y ( 1 b . i n ) F i b e r L e n g t h 1 0 . . L f ( i n ) F i b e r v o l u m e f r a c t i o n V f ( 2 ) c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y F i g u r e 4 . 2 ( c o n t i n u e d ) f a i l u r e o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l o c c u r s d o m i n a n t l y b y t h e r u p t u r e o f 8 5 c o u l d b e e x p l a i n e d b y t h e f a c t t h a t t h e f i r s t c r a c k s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e i s s t r o n g l y r e l a t e d t o t h e s p a c i n g o f f i b e r s i n s i d e t h e m a t r i x . H o w e v e r , t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s p a r t l y d e p e n d e n t o n t h e f i b e r p u l l - o u t b e h a v i o r a n d t e n s i l e s t r e n g t h ( a s w e l l a s f i b e r s p a c i n g ) . I t m a y a l s o b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e 4 . 3 t h a t f a i l u r e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w i t h t h e m i x p r o p o r t i o n s o f R e f e r e n c e 1 7 a n d f i b e r l e n g t h o f 1 0 m m ( 0 . 4 i n . ) o c c u r e d d o m i n a n t l y b y t h e r u p t u r e o f f i b e r s . T h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e i s a l s o o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 3 . c t o i n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y a s a r e s u l t o f t h e i n c r e a s e i n f i b e r t e n s i l e s t r e n g t h . d . C a z b g g E i b e r T y p e R e f e r e n c e 1 5 e x p e r i m e n t e d w i t h t w o 3 m m ( 0 . 1 2 5 i n . ) l o n g c a r b o n f i b e r t y p e s , p i t c h t y p e a n d p a n t y p e . W h e r e a s p i t c h t y p e i s t h e c o m m o n c a r b o n f i b e r t y p e u s e d i n c e m e n t c o m p o s i t e s , t h e p a n t y p e i s a h i g h - q u a l i t y c a r b o n f i b e r w i t h h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h , h i g h e r m o d u l u s o f e l a s t i c i t y i n t e n s i o n a n d l o w e r d i a m e t e r ( o r h i g h e r a s p e c t r a t i o ) , w h e n c o m p a r e d w i t h t h e p i t c h t y p e c a r b o n f i b e r s . P a n t y p e c a r b o n f i b e r s a r e , h o w e v e r , m o r e e x p e n s i v e t h a n t h e p i t c h t y p e f i b e r s . I t c a n b e n o t e d f r o m F i g u r e 4 . 4 . a t h a t p a n t y p e c a r b o n f i b e r s a r e s i g n i f i c a n t l y m o r e e f f e c t i v e t h a n t h e p i t c h t y p e o n e s i n i m p r o v i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h i s w a s e x p e c t e d b e c a u s e o f t h e h i g h e r s t r e n g t h a n d t e n s i l e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f t h e p a n t y p e f i b e r s . A n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o r t h a t l e a d s t o t h e s u p e r i o r p e r f o r m a n c e o f p a n t y p e f i b e r s i s t h e i r h i g h e r a s p e c t r a t i o ( d u e t o a s m a l l e r d i a m e t e r ) c o m p a r e d t o p i t c h t y p e f i b e r s . T h e a b o v e m e n t i o n e d c o n c l u s i o n s i n d i c a t e t h a t t h e f l e x u r a l F l e x u r a l s t r e s s ( K 8 1 ) 8 6 F i b e r t e n s i l e s t r e n g t h ( K s i ) i ) “ \ 1 0 7 ' 0 ' . . . I \ \ O . / . 1 ” \ 9 3 \ 2 " ‘ 0 ‘ . . ( 2 ’ ; \ \ ' , . \ \ \ \ . . \ ‘ ~ ‘ \ - . . \ \ 1 - . 6 4 \ \ ‘ \ \ ‘ w . 0 I I I I I I I 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 0 . 1 2 D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n c u r v e s F i g u r e 4 . 3 : E f f e c t s o f f i b e r t e n s i l e s t r e n g t h o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 7 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , s i l i c a s a n d / c e m e n t - 0 . 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 5 , d e f o a m i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 3 % , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m F c l a e p x a u c r i a t l y g e ( n l e b r . y i n a ) 2 0 ‘ J b s o r p t i o n 6 0 1 7 0 I 0 8 0 I b 9 i F s i l e s t e r t s e i n ) ( K I 0 e 0 n 1 r g t h 8 7 _ j F l e x u r a l s t r e n g t h ( K s i ) 3 a : d 0 I " I 7 I ’ I 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 F i b e r t e n s i l e s t r e n g t h ( K s i ) b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) 1 0 - c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . F i g u r e 4 . 3 ( c o n t i n u e d ) 8 8 f i b e r s ( a n d n o t b y f i b e r p u l l - o u t ) . 1 5 F i g u r e 4 4 . b i n d i c a t e s t h a t t h e u s e o f p a n t y p e f i b e r s u s u a l l y r e d u c e s t h e t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l b e l o w t h e v a l u e s o b t a i n e d f o r t h e c o m p o s i t e s w i t h p i t c h t y p e f i b e r s . T o u g h n e s s i n F i g u r e 4 . 4 b i s d e f i n e d a s t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( i n f l e x u r e ) d i v i d e d b y t h e p r e - c r a c k i n g f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n . T h e e f f e c t o f p a n t y p e f i b e r s o n t o u g h n e s s i s e s p e c i a l l y o b v i o u s a t h i g h e r f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e a d v e r s e e f f e c t s o f p a n t y p e f i b e r s o n t o u g h n e s s m a y a b e a t t r i b u t e d t o t h e i r s u p e r i o r b o n d t o c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a n d a l s o t o t h e i r s m a l l d i a m e t e r ( a n d c o n s e q u e n t l y h i g h s u r f a c e a r e a f o r b o n d s t r e s s ) . T h e s e t w o f a c t o r s s t r o n g l y e n c o u r a g e t h e m o r e b r i t t l e t y p e f a i l u r e c a u s e d b y f i b e r r u p t u r e . P i t c h t y p e f i b e r s , h o w e v e r , e s p e c i a l l y a t l a r g e r f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s , w h e r e t h e b o n d s t r e n g t h i s e x p e c t e d t o b e s m a l l e r , m i g h t h a v e i n c r e a s e d t h e r o l e o f f i b e r p u l l - o u t i n f l e x u r a l f a i l u r e , t h e r e b y i m p r o v i n g t h e m a t e r i a l t o u g h n e s s . e . a t i x P o o ' o n s ' T h e m a t r i x o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s c o n s i s t s o f t h e f o l l o w i n g i n g r e d i e n t z s ’ 6 ’ 1 2 ' l 7 l ) D i s p e r s i n g a g e n t s f o r u n i f o r m d i s p e r s i o n f i b e r s ( e . g . , m e t h y l c e l l u l o s e , s i l i c a f u m e , s i l i c a p o w d e r , o r f l y a s h ) . D i s p e r s i n g a g e n t s m a y a l s o i n c r e a s e t h e b o n d b e t w e e n t h e f i b e r s a n d t h e m a t r i x . 3 0 H e n c e , d i s p e r s a n t s t e n d t o i n c r e a s e t h e f l e x u r a l ( t e n s i l e ) s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t . I n s o m e c a s e s , w h e n O m n i m i x e r i s u s e d , u n i f o r m c a r b o n f i b e r c e m e n t m i x t u r e s c a n b e a c h i e v e d w i t h o u t t h e u s e o f a d i s p e r s a n t ; h o w e v e r , t h i s m a y h a v e a n a d v e r s e e f f e c t o n f l e x u r a l s t r e n g t h ; 1 4 F i b e r t y p e . t e n s i ( l e e t r e s t h . e l a s t i c M 1 ) ( L e d u l e s ( I ) , d m i o ) t e r . e l i ( a i m n e ) a t i o n o ( n 2 g ) 0 1 x a . F l e u r a l s t r r i b e r t y p e . t e n s i ( l L e e 2 e i 0 1 I 2 3 n g t h ( m o d u l u s o t r e s t b . e l a s t i e ) o d c m 1 m ) P i I 3 l u s ( 2 ) , c h t y d p i ( a ‘ e u t | . ’ F f m 4 . i b 4 e r 5 a c t i o n r v o l u m e f r u p t u r e ) t e r . “ e ) “ . n t u : 1 1 0 . 5 3 4 - 4 , I 4 3 I 5 . 7 x 1 0 - 4 , 2 . 1 _ I I _ I 8 9 5 _ F l e x u r a l s t r e n g t h ( 1 2 5 1 ) 3 ” , o J I v f ( 2 ) F l e x u r a l 1 0 0 . — t o u g h n e s s 5 0 — ’ — - _ " 0 " - - - - - — — - - - ‘ d ‘ - i l P a n t y p e . 4 5 0 . 3 2 4 2 6 , 2 . 8 x 1 0 - 4 , 1 . 4 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n V f ( 2 ) b . F l e x u r a l t o u g h n e s s . F i g u r e 4 . 4 : E f f e c t o f c a r b o n f i b e r t y p e o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g , b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 9 0 2 ) P l a s t i c i z i n g a g e n t o r s u p e r p l a s t i c i z e r s t o i m p r o v e t h e p l a s t i c i t y o f t h e m i x a n d c o n s e q u e n t l y t h e c o m p a c t i o n a n d s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e ; 3 ) A g g r e g a t e s w h i c h c a n b e n o r m a l - w e i g h t ( e . g . , s i l i c a s a n d ) o r l i g h t w e i g h t ( e . g . , m i c r o - b a l l o o n s w h i c h a r e h o l l o w s p h e r e s o f 5 1 0 2 ) ; 4 ) C e m e n t ; 5 ) P o l y m e r s ; a n d 6 ) W a t e r . S o m e r a n g e s o f t h e m i x p r o p o r t i o n s ( b y w e i g h t ) u s e d b y d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r s a r e a s f o l l o w s : w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 - 0 . 6 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 4 - 0 . 0 6 , s i l i c a f u m e ( o r f l y a s h ) / c e m e n t - 0 - 0 . 4 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 - 0 . 1 , f i b e r l e n g t h - 3 m m t o 1 0 m m ( 0 . 1 3 i n . t o 0 . 4 0 i n . ) , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 0 t o 5 . 5 % , a g g r e g a t e c o n t e n t b y v o l u m e - 0 t o 5 0 % , a g g r e g a t e s i z e u p t o 1 0 m m ( 0 . 4 0 i n . ) , a n d p o l y m e r ( l a t e x ) / c e m e n t - 0 - 1 0 % . O t h e r a d d i t i v e s ( e . g . , f o a m i n g a g e n t ) c a n a l s o b e u s e d w i t h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 5 ’ 6 ’ ] ' 2 . 1 7 T h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n i s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n d e t e r m i n i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . A m o n g t h e t h e m a t r i x v a r i a b l e s w i t h i m p o r t a n t e f f e c t s o n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e , t h e f o l l o w i n g p l a y s p e c i a l l y i m p o r t a n t r o l e s : 1 ) S t r e n g t h o f t h e m a t r i x i s a m a j o r f a c t o r d e c i d i n g o f t h e s t r e n g t h o f t h e r e s u l t i n g c o m p o s i t e ; 2 ) I n t e r f a c i a l b o n d b e t w e e n f i b e r s a n d m a t r i x ( w i t h i m p o r t a n t e f f e c t s i n c o m p o s i t e p r o p e r t i e s ) i s a f f e c t e d t o a l a r g e e x t e n t b y t h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s ; a n d 3 ) A g g r e g a t e s , w h e n u s e d i n t h e m a t r i x , a f f e c t t h e d i s t r i b u t i o n a n d s p a c i n g o f f i b e r s i n t h e m a t r i x a n d m a y a d v e r s l y i n f l u e n c e t h e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s o f a n a v e r a g e p a r t i c l e s i z e o f 2 m m ( 0 . 0 8 i n ) , 9 1 I n F i g u r e s 4 . 5 . a , b a n d c , 1 4 t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n d i a g r a m s , a n d f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s , r e s p e c t i v e l y , o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s w i t h d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s a r e p r e s e n t e d . I t c a n b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e 4 . 5 t h a t , i n t h e a b s e n c e o f a d i s p e r s i n g a g e n t , t h e u s e o f l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o s c a n l e a d t o a r e l a t i v e l y b r i t t l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s . T h i s m a y b e e x p l a i n e d b y t h e d a m a g i n g e f f e c t o f w a t e r - c e m e n t r a t i o o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . 0 n t h e o t h e r h a n d , t h e u s e o f h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o s a n d h i g h v o l u m e s o f l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s ( m i c r o b a l l o o n s ) l e a d t o a r e d u c t i o n i n f l e x u r a l s t r e n g t h p a i r e d b y a n i m p r o v e m e n t i n d u c t i l i t y ( s e e F i g u r e 4 . 5 ) . T h i s m i g h t b e d u e t o t h e a d v e r s e e f f e c t s o f w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d p o s s i b l y a g g r e g a t e s o n b o n d b e t w e e n c a r b o n f i b e r s a n d t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x . R e f e r e n c e 1 3 h a s c o n c l u d e d t h a t t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t , u p t o a s i l i c a f u m e - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 4 , t e n d s t o i n c r e a s e t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( s e e F i g u r e 4 . 6 ) . T h i s i s d u e t o t h e f i n e n e s s o f s i l i c a f u m e p a r t i c l e s w h i c h f a v o r a b l y a f f e c t t h e c o a t i n g o f f i b e r s w i t h t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d t h u s i m r p o v e t h e f i b e r m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h . S i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o s i n e x c e s s o f 0 . 4 0 , h o w e v e r , s t a r t t o h a v e s o m e a d v e r s e e f f e c t s o n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l b e h a v i o r , m a i n l y d u e t o t h e d a m a g e t o f r e s h m i x p r o p e r t i e s . I n R e f e r e n c e 6 , t h e u s e o f f l y a s h ( " a l o w q u a l i t y d i s p e r s a n t " ) i n t h e m i x h a s l i m i t e d t h e v o l u m e f r a c t i o n o f c a r b o n . f i b e r s o f 3 m m ( 0 . 1 3 i n . ) l o n g t o a m a x i m u m o f a b o u t 2 % , a n d h a s l e d t o a r e l a t i v e l y l o w f l e x u r a l s t r e n g t h ( s e e F i g u r e 4 . 7 ) . I r t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e m i x e s o f F i g u r e 4 . 7 c o n t a i n e d 3 0 % b y v o l u m e o f a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 9 2 F l e X u r a l s t r e s s 4 « d F i b e r v o l u m e f r a c t i o n _ _ M i x 1 3 — V f ( Z ) . . . . . H i : 2 A E 2 ' 1 ‘ o " ‘ - ‘ - ~ - - - - - - “ ~ “ ' 2 . 9 ‘ s ‘ . a . . . . . . t \ ” - ’ ~ ~ ~ § \ \ \ ‘ ‘ \ 0 ’ . . . . ‘ \ ‘ 2 ‘ s ‘ e . . \ \ l “ \ ~ ‘ s \ \ u - I ‘ \ \ \ s s \ \ \ 8 ‘ “ \ I \ \ s ‘ \ , s s s l \ \ ‘ ~ s ‘ ~ : ‘ s “ s 0 I I I I I I l I I 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 . 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 6 D e f l e c t i o n ( i n ) F i g u r e 4 . 5 : E f f e c t s - o f m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r c e m e n t . “ ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ; M i x 1 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 0 a n d w a t e r r e d u c e r / c e m e n t - 0 . 0 2 ; a n d M i x 2 : w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m F l e c x a u p r a a c l i n e y t e ( r l g b y . a n b ) i s o r p t i o n F i b e V r f v o l u m e f r a c t i o n ( 1 ) F i g u r e 4 . 5 ( c o n t i n u e d ) 1 0 9 3 M o d u l u s o f r u p t u r e ( K s i ) M i x 1 O r - N w I F T I l 1 a 5 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n V f ( 2 ) b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) ’ . M i x 2 c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . F i g u r e 4 . 6 : 9 4 F l e x u r a l s t r e n g t h ( K s i ) D ‘ I I I I — 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 S i l i c a f u m e / c e m e n t E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , w a t e r r e d u c i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 8 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 5 % , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x h i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 9 S F l e x u r a l s t r e n g t h ( K s i ) F o a m i n g a g e n t c o n t e n t 2 o f b i n d e r ( c e m e n t + f l y a s h ) F i g u r e 4 . 7 : 1 2 3 4 5 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n V f ( 2 ) E f f e c t s o f f l y a s h a n d f o a m i n g a g e n t c o n t e n t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f l i g h t w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - l l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e c o n t e n t ( b y v o l u m e o f c e m e n t + f l y a s h ) - 0 . 3 a n d s i z e - 0 . 0 5 - 0 . 1 i n - 1 . 2 - 2 . 5 m m , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . 2 . 2 5 m m ( 0 . 2 4 t o 0 . 0 8 9 i n . ) f o r t h e c o a r s e r s a n d . T h e a v e r a g e g r a i n 9 6 a n d t h e i r w a t e r - c e m e n t r a t i o s w e r e s e l e c t e d t o g i v e c o m p a r a b l e w o r k a b i l i t i e s ( f l o w s ) f o r a l l m i x e s . T h e s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t h a d l i m i t e d e f f e c t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t s t e s t e d i n R e f e r e n c e 1 3 ( s e e F i g u r e 4 . 8 ) . H o w e v e r , a n i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r - c e m e n t r a t i o b e y o n d 8 % h a d s o m e a d v e r s e e f f e c t s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e . T h e u s e o f f o a m i n g a g e n t s i n R e f e r e n c e 6 h a s g e n e r a l l y l e d t o r e d u c t i o n s i n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s d u e t o t h e i n c r e a s e o f a i r v o i d s s e e F i g u r e 4 . 7 ) . T h e u s e o f 5 % l a t e x ( b y w e i g h t o f b i n d e r ) i n c a r b o n f i b e r c e m e n t m i x t u r e s h a s l e d t o h i g h e r f l e x u r a l s t r e n g t h s , h i g h e r f l e x u r a l s t i f f n e s s , a n d l o w e r d u c t i l i t i e s ( s e e F i g u r e 4 . 9 ) . 6 T h e u s e o f l a t e x i m p r o v e s t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n f i b e r s a n d m a t r i x . T h i s w o u l d l e a d t o i n c r e a s e d s t r e n g t h a n d w o u l d e n c o u r a g e f a i l u r e m o d e s i n v o l v i n g t h e r u p t u r e o f f i b e r s . M o d i f i c a t i o n o f t h e m a t r i x b y l a t e x s e e m e d t o b e a n e f f e c t i v e ‘ t e c h n i q u e f o r i m p r o v i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d o t h e r p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . 6 T h e h a r d e n e d p o l y m e r i n l a t e x i m p r o v e s t h e m a t e r i a l p e r o f r m a n c e b y f i l l i n g t h e m a t e r i a l v o i d s a n d i m p r o v i n g t h e m i c r o s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l . S t r e n g t h , s h r i n k a g e , a n d i m p e r m e a b i l i t y p r o p e r t i e s c a n a l s o b e i m p r o v e d e f f e c t i v e l y t h r o u g h p o l y m e r m o d i f i c a t i o n o f c e m e n t c o m p o s i t e s . I n o r d e r t o s t u d y t h e e f f e c t s o f t h e f i n e a g g r e g a t e s i z e a n d c o n t e n t i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s , R e f e r e n c e 1 7 h a s t r i e d 3 a r t i f i c i a l s i l i c a s a n d s a t s a n d - c e m e n t r a t i o v a r y i n g f r o m 0 . 1 t o 0 . 8 . T h e g r a i n s i z e s o f t h e s i l i c a s a n d r a n g e d f r o m 0 . 0 0 1 8 t o 0 . 1 5 m m ( 0 . 0 0 0 0 7 t o 0 . 0 0 6 i n . ) f o r t h e f i n e r s a n d , f r o m 0 . 3 t o 1 . 3 m m ( 0 . 0 1 2 t o 0 . 0 5 ) i n . f o r t h e s a n d w i t h m e d i u m f i n e n e s s a n d f r o m 0 . 6 t o 9 7 F l e x u r a l s t r e n g t h ’ 4 ’ s ‘ r ! I 3 . . 2 _ S i l i c a f u m e / c e m e n t l _ - ' — C ] n 0 . 3 ‘ ‘ 0 I I I I I ; o 2 a 6 8 1 0 S u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t ( 2 ) F i g u r e 4 . 8 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n 1 0 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 5 % , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x h i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 1 5 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 9 8 B e n d i n g s t r e s s ( K s i ) F i b e r v o l u m e f r a c t i o n V f ( X ) 5 L a t e x c o n t e n t , f o a m i n g a g e n t c o n t e n t ' Z o f b i n d e r ( c e m e n t + f l y a s h ) " I l 5 _ _ _ _ _ _ 5 , 0 0 , 0 . 1 \ - - - - D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . F i g u r e 4 . 9 : \ E f f e c t s o f l a t e x o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( w a t e r / c e m e n t w a s v a r i e d t o o b t a i n a c o n s t a n t w o r k a b i l i t y f o r a l l m i x e s , f l y a s h / c e m e n t - l , l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e c o n t e n t ( b y v o l u m e o f c e m e n t + f l y a s h ) - 3 0 % a n d s i z e - 0 . 0 5 - 0 . 1 i n - 1 . 2 - 2 . 5 m m , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 6 x 1 . 6 x h i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m 5 _ + M o d u l u s o f r u p t u r e I 3 I l v o ( F i b e r v t m e f r a c t o l Z u ) 5 I i o n - j F ( l l e b x . u i r n a ) l 2 0 e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 9 9 ( K s i ) A . . 3 . — 2 L a t e x c o n t e n t 5 2 1 0 2 b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) 1 0 - L a t e x c o n t e n t ( 2 ) — - - ' o 0 " 5 I I I I I 0 1 2 3 4 5 F i b e r v o l u m e f r a c t i o n v f ( 2 ) c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y F i g u r e 4 . 9 : ( c o n t i n u e d ) r a n g e s o f m i x v a r i a b l e s . I t i s t h u s r a t h e r d i f f i c u l t t o d r a w g e n e r a l 1 0 0 s i z e s w e r e 0 . 0 5 , 0 . 5 a n d 1 . 2 m m ( 0 . 0 0 2 , 0 . 0 2 a n d 0 . 0 5 i n . ) , r e s p e c t i v e l y . T h e c a r b o n f i b e r s u s e d w e r e 3 m m ( 0 . 1 2 ) l o n g . I t i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 0 t h a t t h e i n c r e a s e i n t h e g r a i n s i z e o f s i l i c a s a n d t e n d s t o d a m a g e t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . I t c a n a l s o b e s e e n f r o m F i g u r e 4 . 1 0 t h a t t h e i n c r e a s e i n s i l i c a s a n d c o n t e n t a l s o h a s s o m e d a m a g i n g e f f e c t s o n t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e a v e r a g e s p a c i n g o f t y p i c a l c a r b o n f i b e r s i n a f i b r o u s m i x w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f c a r b o n f i b e r s i s o f t h e o r d e r o f 0 . 1 m m ( 0 . 0 0 4 i n ) . 3 1 . H e n c e , a g g r e g a t e s w i t h p a r t i c l e s i z e s s u b s t a n t i a l l y g r e a t e r t h a n 0 . 1 m m t e n d t o d a m a g e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y a n d r e d u c e t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f f i b e r s o n s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . I t s h o u l d a l s o b e m e n t i o n e d t h a t t h e p r e s e n c e o f v e r y f i n e s i l i c a s a n d ( 0 . 0 5 m m - 0 . 0 0 2 i n a v e r a g e g r a i n s i z e ) m i g h t e n h a n c e t h e h y d r a t i o n p r o c e s s o f p o r t l a n d c e m e n t a n d p r o d u c e a b e t t e r b i n d e r d u r i n g a u t o c l a v e c u r i n g . l 7 I t i s a l s o i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t t h e f l e x u r a l d e f l e c t i o n a t m a x i m u m f l e x u r a l l o a d d e c r e a s e s a s t h e a g g r e g a t e s i z e a n d c o n t e n t i n c r e a s e . S o m e f a c t o r s i l l u s t r a t i n g t h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e s o n t h e o v e r a l l b e h a v i o r o f t h e c o m p o s i t e a r e : l ) A g g r e g a t e s w i t h p a r t i c l e s i z e s l a r g e r t h a n t h e f i b e r s p a c i n g t e n d t o d a m a g e t h e f i b e r - m a t r i x i n t e r a c t i o n b y b u n d l i n g t h e f i b e r s d u r i n g m i x i n g , a n d 2 ) C a r b o n f i b e r s a r e m o r e e a s i l y b r o k e n i n t o s m a l l e r p i e c e s d u r i n g m i x i n g i n t h e O m n i m i x e r b y a g g r e g a t e s . 0 n t h e o t h e r h a n d , t h e u s e o f a g g r e g a t e s i n c a r b o n f i b e r c e m e n t i s n e c e s s a r y f o r p r o d u c i n g a m o r e e c o n o m i c a l m a t e r i a l w i t h r e d u c e d s h r i n k a g e m o v e m e n t s . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e b a c k g r o u n d l i t e r a t u r e o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o n s i s t s o f d i f f e r e n t m i x e s w i t h b r o a d 1 0 1 F l e x u r a l 5 _ s t r e s s ( K s i ) 3 - 4 S i l i c a s a n d a v e r a g e p a r t i c l e s i z e ( i n ) 0 . 0 0 2 1 ' ’ \ 2 — I \ I \ l ’ j I fi \ \ 0 . 0 . Z S Z S - , \ . a ” \ \ \ / ’ \ . \ \ 1 “ I 0 . 0 5 0 “ \ 0 \ \ \ \ S i l i c a s a n d / c e m e n t - 0 . 4 ~ ( ‘ 0 ‘ \ ‘ . ~ \ ~ I I I I I I 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 0 . 1 2 D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s F i g u r e 4 . 1 0 : E f f e c t s o f s i l i c a s a n d s i z e a n d c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 1 7 - ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 5 , d e f o a m i n g a g e n t / c e m e n t - 0 . 0 0 0 5 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , f i b e r v o l u m e f r a c t i o n - 0 . 0 3 , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x h i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m F c l a e p x a u c r i a t l y e ( n l e b r . g i y n ) 2 0 - a b s o r p t i o n F i g u r e 4 . 1 0 : ( c o n t i n u e d ) 1 0 2 5 _ 1 F l e x u r a l s t r e n g t h ( K s i ) 2 _ . ' I l . _ S i l i c a s a n d / c e m e n t ' - — — . , " ‘ - - . . _ ‘ . \ . ~ ~ ~ e 0 . 1 \ . . ‘ 7 : 1 " I I 0 . 4 g . 0 . 5 ° 1 I r I 1 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 S i l i c a s a n d s i z e ( i n ) b . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) 1 0 — - S i l i c a s a n d / c e m e n t - 0 . 4 . \ e ~ I I I I I 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 6 0 . 0 5 S i l i c a s a n d s i z e ( i n ) c . F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d i f f e r e n t c u r i n g p r o c e d u r e s a s f o l l o w s : 1 ) A i r c u r i n g ; 2 ) A u t o c l a v i n g ; 1 0 3 c o n c l u s i o n s a b o u t t h e e f f e c t s o f s o m e m i x v a r i a b l e s o n t h e f l e x u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . F i g u r e 4 . 1 1 p r e s e n t s f l e x u r a l s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s . 5 ’ 6 ’ 1 2 ' l 7 f . M i x i n g E r o c e d u r e T w o m i x i n g p r o c e d u r e s h a v e b e e n e x a m i n e d i n t h e l i t e r a t u r e z s ’ 6 ’ 1 2 " 1 7 l ) M i x i n g b y O m n i m i x e r , a n d 2 ) M i x i n g b y m o r t a r m i x . D u e t o t h e h i g h e f f i c i e n c y o f O m n i m i x e r , i t c a n p r o v i d e a s i g n i f i c a n t l y b e t t e r c o a t i n g o f t h e m i x i n g r e d i e n t s ( e s p e c i a l l y f i b e r s ) w i t h t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x , w h e n c o m p a r e d w i t h o t h e r m i x e r t y p e s . T h i s w o u l d l e a d t o a b e t t e r b o n d i n g o f t h e p a s t e t o c a r b o n f i b e r s , l e a d i n g t o r e d u c e d s i g n i f i c a n c e o f t h e u s e o f d i s p e r s a n t s ( e . g . , s i l i c a f u m e o r f l y a s h ) . H o w e v e r , v e r y h i g h s t r e n g t h s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s h a v e b e e n a c h i e v e d u s i n g b o t h O m n i a n d m o r t a r m i x e r s . A n o b v i o u s a d v a n t a g e o f m o r t a r m i x e r , w h e n c o m p a r e d w i t h O m n i , m i x e r i s i t s w o r l d w i d e a v a i l a b i l i t y , l o w p r i c e , a n d e a s e o f o p e r a t i o n . g . C u r i n g E r o c e d g r e R e f e r e n c e 1 4 h a s r e p o r t e d a c o m p a r i s o n b e t w e e n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( w i t h a h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d a l a r g e f r a c t i o n o f m i c r o b a l l o o n s ) c u r e d i n a i r a n d i n a u t o c l a v e . A u t o c l a v i n g , w h i c h a c c e l e r a t e s t h e s t r e n g t h g a i n i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s , i s o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 1 2 t o h a v e a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h , a n d t o a d v e r s e l y i n f l u e n c e t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s o f l i g h t - w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . R e f e r e n c e 1 5 , o n t h e o t h e r h a n d , e x p e r i m e n t e d w i t h t h r e e 1 0 4 F l e x u r a l S t r e n g t h 5 - ' ( K s i ) I I I I 0 l 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( t ) F i g u r e 4 . 1 1 : F l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 1 4 ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g i n O m n i m i x e r , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n a n d 7 d a y a i r c u r i n g ; M i x 1 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 5 , a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 ; M i x 2 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 6 2 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 2 4 a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 1 . 6 % ; a n d M i x 3 : w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r - ‘ 0 . 2 5 , a n d m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . - J M o d u l ( u K s s f o ) i R u p t u r e 5 3 - C u r i n g P r o c e d u r e a . F l e x u r a l s t r e n g t h T o u g h n e s s i c I n e g d u r e A i r / / I I I _ _ 1 0 0 - 5 0 ( _ V F l e x u r a l C P u r r o I P : 1 0 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f m I / ” d ” ’ A u t o c l a v e l ” I I 0 l 2 3 b 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( z ) b . F l e x u r a l t o u g h n e s s F i g u r e 4 . 1 2 : E f f e c t s o f d i f f e r e n t c u r i n g p r o c e d u r e s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f l i g h t - w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n ) l i n - 2 5 . 4 m a , 1 K s i - 6 . 9 M P a 1 0 6 a n d 3 ) A u t o c l a v i n g f o l l o w e d b y p o l y m e r i m p r e g n a t i o n . A u t o c l a v i n g ( a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 3 ) s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h e f l e x u r a l b e h a v i o r ( s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s ) o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e s e e f f e c t s a r e p o s s i b l y d u e t o t h e i m p r o v e m e n t s i n i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h a n d a l s o i n m a t r i x p r o p e r t i e s ( a u t o c l a v i n g i n t h e p r e s e n c e o f s i l i c a f u m e i m p r o v e s t h e m a t r i x m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ) 3 2 . F u r t h e r m o r e , p o l y m e r i m p r e g n a t i o n a f t e r a u t o c l a v i n g c a n s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e s t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 3 1 . ” 5 H o w e v e r , p o l y m e r i m p r e g n a t i o n a f t e r a u t o c l a v i n g c a n s e r i o u s l y d a m a g e t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l ( F i g u r e 4 . 1 3 . b ) . T h e e f f e c t o f p o l y m e r i m p r e g n a t i o n a f t e r a u t o c l a v i n g c a n b e e x p l a i n e d b y t h e i m p r o v e m e n t s i n b o n d d u e t o p o l y m e r i m p r e g n a t i o n a f t e r a u t o c l a v i n g , w h i c h ‘ e n c o u r a g e f a i l u r e b y f i b e r r u p t u r e ( r a t h e r t h a n ' b y f i b e r p u l l o u t ) a n d c o u l d l e a d t o h i g h f l e x u r a l s t r e n g t h s p a i r e d w i t h l o w t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s . h . S p e c i m e n G e o m e t r y F i g u r e 4 . 1 4 s h o w s t h e e f f e c t s o f s p e c i m e n g e o m e t r y ( s p e c i m e n c r o s s - s e c t i o n a n d s p a n l e n g t h ) o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n 1 6 T h e a d v e r s e e f f e c t s o f t h e i n c r e a s e i n s i z e o n f i b e r c e m e n t . f l e x u r a l s t r e n g t h c a n j u s t i f i e d c o n s i d e r i n g b y t h e e f f e c t s o f t h e f o l l o w i n g f a c t o r s : 1 ) T h e i n c r e a s e i n s p e c i m e n s i z e t e n d s t o i n c r e a s e t h e n u m b e r o f i n t e r n a l f l a w s a n d m i c r o c r a c k s f r o m w h i c h f a i l u r e u s u a l l y i n i t i a t e s ; a n d 2 ) T h e i n c r e a s e i n s p e c i m e n s i z e t e n d s t o c h a n g e t h e f i b e r d i s t r i b u t i o n a n d o r i e n t a t i o n t o m o r e c l o s e l y r e s e m b l e a t h r e e - d i m e n s i o n a l o r i e n t a t i o n w h i c h m a y r e d u c e f i b e r e f f i c i e n c y . 1 0 9 1 ' " I A g o o c c l l a a v v e e D A 0 A A A u u i t t r + P o l y m e r 1 0 7 F l e x u r a l S t r e n g t h ( K s i ) P i t c h T y p e P a n F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( 2 ) a . F l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f r u p t u r e ) F i g u r e 4 . 1 3 : E f f e c t s o f d i f f e r e n t c u r i n g p r o c e d u r e s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . ” ( w a t e r / c e m e n t - 0 A 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 0 . 4 x 1 . 6 x 4 i n ; p i t c h - b a s e d f i b e r s : t e n s i l e s t r e n g t h - 1 1 0 K s i , e l a s t i c m o d u l u s ( E ) - 5 3 4 4 K s i , d i a m e t e r - 1 4 . 5 m i c r o n s a n d e l o n g a t i o n - 2 . 1 % ; a n d p a n - b a s e d f i b e r s : t e n s i l e s t r e n g t h - 4 5 0 K s i , e l a s t i c m o d u l u s ( E ) - 3 2 , 4 3 6 K s i , d i a m e t e r - 7 m i c r o n s a n d e l o n g a t i o n - 1 . 4 % ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a F i g u r e 4 . 1 3 : ( c o n t i n u e d ) 1 0 8 F l e x u r a l T o u g h n e s s 1 0 0 - I D A u t o c l a v e + P o l y m e r [ L L ; A u t o c l a v e ’ A . I ( 3 A i r " ( 3 P a n P i t c h g o v - 3 7 " " T y p e T y p e ° 1 I I I I I 0 1 2 3 6 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n \ % ( 0 b . F l e x u r a l t o u g h n e s s . F l e x u r a l S t r e n g t h 4 . . 3 — 2 . — 1 — 0 I I I f " 1 0 0 2 0 0 3 0 0 S p a n x D e p t h ( i n z ) F i g u r e 4 . 1 4 : E f f e c t s o f s p e c i m e n s i z e o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 6 l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . f l e x u r a l s t r e n g t h i s c o n c e r n e d . T h i s m e t h o d o f c u r i n g w h e n a p p l i e d t o 1 0 9 4 . 3 . E x p e r i m e n t a l R e s u l t s G e n e r a t e d i n t h i s S t u d y F i g u r e s 4 . 1 5 . a t h r o u g h 4 . 1 5 . d s h o w t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p s f o r t h e p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d t h e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . ( 1 3 m m ) f i b e r s , 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f l / 1 6 1 1 L ( 1 ” 5 m m ) f i b e r s , a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n s o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , r e s p e c t i v e l y , c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . U s i n g t h e e x p e r i m e n t a l f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 1 5 , i n f o r m a t i o n o n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e s t r e n g t h s , t o u g h n e s s , e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , a n d s t i f f n e s s o f t h e p l a i n a n d f i b r o u s m a t e r i a l s t e s t e d i n t h i s s t u d y a f t e r c u r i n g i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s w a s d e r i v e d . T h i s i n f o r m a t i o n i s g i v e n i n F i g u r e s 4 . 1 6 t h r o u g h 4 . 1 8 . I n t h e s e f i g u r e s , e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i s t h e a r e a u n d e r n e a t h f l e x u r a l l o a d — d e f l e c t i o n - c u r v e u p t o a d e f l e c t i o n t w i c e t h a t a t f i r s t c r a c k ( a t t h i s d e f l e c t i o n , t h e f l e x u r a l l o a d g e n e r a l l y d r o p s c l o s e t o z e r o ) , a u x i t o u g h n e s s i s d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h i s e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y t o t h e e n e r g y a b s o r b e d u p t o t h e c r a c k i n g l o a d . T h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 6 t o i n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y a s a r e s u l t o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . W i t h c u r i n g i n a i r , w a t e r a n d m o i s t r o o m , c o m p a r a b l e i m p r o v e m e n t s a r e o b t a i n e d b y t h e u s e 1 / 8 i n . f i b e r s a t 3 % v o l u m e f r a c t i o n , o r l / l 6 i n f i b e r s a t 3 % a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n s . S t e a m c u r i n g d o e s n o t p r o d u c e a n y s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h o f f i b r o u s s p e c i m e n s w i t h 3 % v o l u m e o f 1 / 8 i n . o r 1 / 1 6 i n . f i b e r s . W i t h 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . f i b e r s , s t e a m c u r i n g p r o v i d e s r o u g h l y 5 0 % m o r e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h w h e n c o m p a r e d w i t h a i r , w a t e r o r m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n s . H o t w a t e r c u r i n g s e e m s t o g i v e t h e b e s t r e s u l t s a s f a r a s t h e u l t i m a t e 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 2 - . F i g u r e 4 . 1 5 : 1 1 0 L o a d ( K i p s ) w a t e r _ — n r - - - - - C u r i n g C o n d i t i o n s h o : w a t e r — ~ - — - o s t e a m - u — . . D O i S t u r e ‘ 0 3 - ' 0 0 . . . e fl é ’ ' E ] I I I I 4 5 6 7 D e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) a . P l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s o f d i f f e r e n t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 3 2 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 1 . 5 x 1 . 5 x 4 . 8 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N . b . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 8 i n I I 1 1 1 L o a d ( K i p s ) w a t e r — — C u r i n g h o t w a t e r _ _ . e . _ . C o n d i t i o n s 0 ' 8 “ s t e a m - — . . — — m o i s t u r e . . . . . . . . . . . 1 0 . 6 - ‘ / a O ‘ e . ’ f ’ ‘ \ / . - 0 l ‘ \ ‘ ‘ u I . ‘ 0 . 4 — ‘ . . . 1 " . “ = . . ‘ I . . I . e / . I [ I , . / . . \ . \ \ . . a . 0 ” ' . / o . \ . \ \ O . . . \ / . ' / / / . . . . - \ \ x s . 2 / / ‘ 0 ‘ T I I I I I I D e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) F i g u r e 4 . 1 5 ( c o n t i n u e d ) F i g u r e 4 . 1 5 ( c o n t i n u e d ) L o a d ( K i p s ) 1 1 2 I ' J w a t e r a i r - - - - - - h o t w a t e r — . . _ . . 0 ’ 8 “ C u r i n g s t e a m — — . . . . _ C o n d i t i o n s . m o i s t u r e . . . . . . . . . . 0 . 6 - O / I . I " \ 0 . 6 — / . / . ' . [ / 1 1 \ \ F ' I ' 3 \ 0 3 ' ‘ . . / ! / / \ \ - \ \ 0 . 2 — . I I \ . \ \ \ ’ \ ‘ ~ - [ j 0 ‘ a I * 1 I I J T I I 0 1 2 3 . 4 5 6 7 c . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 5 ' i n D e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o F i g l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n n u ( V ) f 4 . 1 - 5 r e 5 % , ( c o n f t i i b n e u r e d ) 1 1 3 L o a d ( K i p s ) O . C u r i n g w a t e r - - - - - - / I C O U d i t i O n s h o t w a t e r - — e — O I B ‘ / . . s t e a m - - e e _ . _ I . m O i S t u r e " ‘ ° ° 0 0 e o e o o / . " / ' \ 0 . 6 _ . . / [ 0 . \ / / . . I " g e . . I / \ 0 . . _ / . . . , e . . 0 \ . . ‘ ( f ’ l ‘ 2 \ / / ; ' } . o ' . \ \ o . . K . ) \ \ 0 ' 2 " A c ” \ \ . . ‘ \ . . ‘ o \ . . 0 I I I I ‘ T I I 0 l 2 3 l . 5 6 7 D e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) 1 1 4 F l e x u r a l S t r e n g t h ( K s i ) L f ( i n ) 1 / 1 6 2 . 5 — l ' " \ 1 / 8 - ( I : n / / / F 1 \ _ , V f ( Z ) 5 3 0 2 . : 1 . 5 - E W E E ; 7 E : : r m ! I I - _ — 1 “ I T I E g ; : E : : / : 7 . t : L " / — ' I / ~ “ I L . . . y a E a ; g ; : 0 . 5 - s % : _ % : ¢ : : 2 / — — / — / — _ / : r , / : / : : / - — : . ' : 2 . / : / : : ; . . W a t e r A i r H o t w a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 4 . 1 6 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h ( m o d u l u s o f : r u p t u r e ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . a f t e r c r a c k i n g ( a t o u g h n e s s i n d e x c l o s e t o l i s i n d i c a t i v e o f a s m a l l 1 1 5 s p e c i m e n s w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . a n d 1 / 1 6 i n . f i b e r s g i v e r o u g h l y 5 0 % a n d 3 0 % m o r e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h s , r e s p e c t i v e l y , t h a n w h a t c o u l d b e o b t a i n e d u s i n g a n y o f t h e o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s . H o t w a t e r c u r i n g t u r n e d o u t t o b e e s p e c i a l l y e f f e c t i v e i n a p p l i c a t i o n t o t h e f i b r o u s m a t e r i a l i n c o r p o r a t i n g 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n f i b e r s . I n t h i s c a s e , t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h f o r h o t w a t e r c u r i n g w a s a b o u t 1 0 0 % m o r e t h a n t h e v a l u e s o b t a i n e d i n a i r a n d w a t e r o r b y m o i s t c u r i n g , a n d r o u g h l y 3 5 % m o r e t h a n t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a f t e r s t e a m c u r i n g . T h e f a c t t h a t a f t e r c u r i n g i n a i r , w a t e r o r m o i s t e n v i r o n m e n t , t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n f r o m 3 t o 5 % h a s i n s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n f l e x u r a l s t r e n g t h m i g h t b e a t t r i b u t e d t o t h e l o s s i n b o n d a n d m a t e r i a l c o m p a c t i b i l i t y r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e s e n e g a t i v e f a c t o r s w o u l d r e d u c e t h e b e n e f i t s t h a t c o u l d r e s u l t f r o m t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . S t e a m a n d e s p e c i a l l y h o t w a t e r c u r i n g , h o w e v e r , s e e m t o i m p r o v e t h e f i b e r - m a t r i x b o n d s t r e n g t h p r o v i d i n g b e t t e r c o n d i t i o n s f o r t h e c o m p o s i t e t o b e n e f i t f r o m t h e p o s i t i v e e f f e c t s o f t h e i n c r e a s e i n f i b e r c o n t e n t . E n e r g y a b s o r p t i o n i s a c r i t i c a l a s p e c t o f t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c e m e n t c o m p o s i t e s w h i c h c a n b e i m p r o v e d b y c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . T h i s p r o p e r t y i s u s u a l l y m e a s u r e d i n t h e f o r m o f : 3 3 a ) t h e t o t a l a r e a u n d e r n e a t h t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n c u r v e u p t o a c e r t a i n d e f l e c t i o n ( t w o t i m e s t h e c r a c k i n g d e f l e c t i o n i n t h i s s t u d y ) w h i c h r e p r e s e n t s t h e o v e r a l l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e n m t e r i a l ; a n d b ) t o u g h n e s s i n d e x d e f i n e d a s t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d i v i d e d b y t h e p r e - c r a c k i n g e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , r e p r e s e n t i n g t h e a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l t o a b s o r b e n e r g y p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ) . f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . f i b e r s c u r e d i n a i r , w a t e r , m o i s t r o o m o r s t e a m 1 1 6 T h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t s a n d c u r i n g c o n d i t i o n o n t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s i n d e x o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 1 7 . a a n d b , r e s p e c t i v e l y . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s a r e v e r y b r i t t l e w i t h m i n i m a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s . F i g u r e 4 . 1 7 . a i n d i c a t e s t h a t a t 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t h e l o n g e r 1 / 8 i n . f i b e r s g e n e r a t e , o n t h e a v e r a g e , a b o u t 4 0 % m o r e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i n c e m e n t c o m p o s i t e s t h a n t h e 1 / 1 6 i n . f i b e r s . T h e i n c r e a s e i n v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . c a r b o n f i b e r s f r o m 3 t o 5 % d o e s n o t s i g n i f i c a n t l y c h a n g e t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e c o m p o s i t e c u r e d i n m o i s t r o o m , b u t i n c r e a s e s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i n o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s ( a b o u t 3 0 % i n c r e a s e i n a i r c u r i n g , a n d m o r e t h a n 1 0 0 % i n c r e a s e i n w a t e r , h o t w a t e r , - a n d s t r e a m c u r i n g ) . W h e n 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . a n d 1 / 8 i n . f i b e r s a r e u s e d , s t e a m c u r i n g a n d h o t w a t e r c u r i n g b a s i c a l l y r e d u c e t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s b e l o w t h e v a l u e s o b t a i n e d f o r a i r , w a t e r , a n d m o i s t r o o m c u r i n g . T h e i n c r e a s e i n t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c o m p o s i t e s c u r e d i n s t e a m o r u n d e r h o t w a t e r t e n d s t o c o m p e n s a t e f o r t h e n e g a t i v e e f f e c t o f t h e s e c u r i n g c o n d i t i o n s o n p o s t - p e a k . b e h a v i o r . T h e b e s t e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a t 5 % f i b e r v o l u m e c o n t e n t i s o b t a i n e d f o r t h e s t e a m - c u r e d s p e c i m e n s . S p e c i m e n s w i t h 5 % v o l u m e f r a c t i o n c u r e d i n h o t w a t e r g e n e r a l l y h a v e s m a l l e r e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s t h a n t h e c o m p a r a b l e s p e c i m e n s c u r e d i n o t h e r c o n d i t i o n s . T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e t o u g h n e s s i n d e x o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 1 7 . b i n d i c a t e t h a t c o m p a r a b l e t o u g h n e s s e s a r e o b t a i n e d f o r c o m p o s i t e s w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . a n d 1 / 8 i n . c a r b o n f i b e r s a n d 5 % v o l u m e _ _ m n n n n l l l h l l I l H n l \ \ l fi I I I m I f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 \ I J J I I I \ I I \ I \ I \ I \ I \ I \ I \ I I \ I \ I \ I I \ I I \ \ I \ I \ I \ 1 0 0 ‘ 8 0 " 6 0 " 4 0 ‘ - 2 0 “ ' 1 1 7 H . _ E n e r g y A b s o r p t i o n , v 1 / 8 . , L f ( i n ) C a p a c i t y ( l b . i n ) V / / / . u . 3 . I I I . 4 \ . \ . W a t e r 3 - p . H H o t W a t e r S t e a m . 1 O p . u N t : N 0 C u r i n g C o n d i t i o n s a . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y F i g u r e 4 . 1 7 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s i n d e x u n d e r f l e x u r a l l o a d i n g c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m F i g u r e 4 . 1 7 ( c o n t i n u e d ) 1 1 8 F l e x u r a l T o u g h n e s s I n d e x 1 , 1 6 \ E $ . — E m g / : 2 % E 7 E r % : . Z : 7 : ¢ : é : / : Q : g : 5 2 fi t é ; a : 1 - — é g E E L - w § ; L _ I W . " " fi g h i . g é — _ h é i ? é E ? E é i é fi g ? . € 5 3 ¢ E £ : € 5 3 ¢ E g C u r i n g C o n d i t i o n s b . T o u g h n e s s s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e u n d e r d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s . T h e 1 1 9 ( w i t h 1 / 8 i n . f i b e r s g e n e r a l l y g i v i n g s l i g h t l y b e t t e r r e s u l t s t h a n 1 / 1 6 i n . f i b e r s ) . T h e t o u g h n e s s i n d e x o b t a i n e d f o r t h e f i b r o u s s p e c i m e n s c u r e d i n h o t w a t e r , h o w e v e r , i s o n l y a b o u t h a l f t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s i n o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r a r e r e l a t i v e l y b r i t t l e a n d a b s o r b f l e x u r a l e n e r g y d o m i n a n t l y p r i o r t o c r a c k i n g . T w o o t h e r i m p o r t a n t a s p e c t s o f t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f f i b r o u s c e m e n t c o m p o s i t e s a r e t h e i n i t i a l s t i f f n e s s a n d t h e f i r s t - c r a c k s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . F i g u r e 4 . 1 8 . a i n d i c a t e s t h a t ( c o n s i d e r i n g t h e s c a t t e r o f t e s t r e s u l t s o n i n i t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s ) c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e i n i t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . A m o n g t h e c u r i n g c o n d i t i o n s , h o t w a t e r c u r i n g g i v e s c o n s i s t e n t l y h i g h e r f l e x u r a l s t i f f n e s s v a l u e s t h a n o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s . T e s t r e s u l t s o n t h e r a t i o o f f i r s t c r a c k t o u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 1 8 . b i n d i c a t e t h a t t h i s r a t i o i s a b o u t 0 . 8 f o r f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n a i r , w a t e r , m o i s t r o o m a n d s t e a m a n d i t i s 1 . 0 f o r f i b r o u s s p e c i m e n s c u r e d i n h o t w a t e r a n d a l s o f o r p l a i n s p e c i m e n s i r r e s p e c t i v e o f t h e c u r i n g c o n d i t i o n . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e d e v e l o p m e n t o f f l e x u r a l s t r e n g t h w i t h t i m e i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t c u r i n g e n v i r o n m e n t s , f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n t h e m a t e r i a l i n c o r p o r a t i n g 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n f i b e r s a t a g e s o f l , 3 , 7 , 1 2 , 2 0 a n d 3 0 d a y s . F o l l o w i n g 1 d a y o f c u r i n g u n d e r n e a t h a p l a s t i c s h e e t i n s i d e t h e m o l d s , t h e s p e c i m e n s w e r e a i r - d r i e d f o r h a l f a d a y a n d t h e n w e r e c u r e d i n a i r , s t e a m , h o t w a t e r , w a t e r a n d m o i s t r o o m . F i g u r e 4 . 1 9 p r e s e n t s t h e a v e r a g e t e n d e n c i e s i n f l e x u r a l 1 2 0 F l e x u r a l S t i f f n e s s ( K i p / i n ) 7 5 " 1 / 1 6 ‘ ' I 8 " L ( i n : ; / h — i ~ ' f ) / “ v H 6 0 . , s 3 o v i m _ : 2 I n ” ! : 2 . I n — - . ‘ I n — . ' L S " ” — ‘ . h n — t . I n — . . I — — 4 . _ _ ‘ O F ' F I I I — l b : : e ' L y . . . T : 3 0 — L — ‘ - " I - — I . . . , L — A . . s “ ' 0 F H e , _ ’ . . l - A o . . 1 5 . . _ : : " : . - — . " : 5 . - " F — d . ‘ 5 . . _ — I _ . 0 ‘ _ j 2 : ; " 0 - _ e . . w a t e r A i r H o t W a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s a . I n i t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s F i g u r e 4 . 1 8 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e i n t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s a n d t h e r a t i o o f f i r s t - c r a c k f l e x u r a l s t r e n g t h - t o - u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n - 1 1 4 N . m m 1 2 1 F i r s t - c r a c k s t r e n g t h / u l t i m a t e s t r e n g t h 1 / 1 6 T I / : - L f ( i n ) / — _ : V ( 2 ) f 1 ‘ 5 V : . ; ' 7 ‘ / 5 . j ' 1 : ' 5 ; : Z I Q - ' . ' l 2 / t - . - - I " : I I . r : . - ' . ‘ 6 % E 1 1 _ 1 . g i g . : : I 0 ' 6 ' 4 : : : , j 5 4 C : L ; ~ : 2 1 ? L _ _ . . / / / u — _ . . , _ _ 4 . . : 1 fi g : : : O . L - : 3 . % I — — ' . : . L — . : ' / / t : . ‘ L fi . : . . m : : - : 1 ; fl : - : - h — — , V / l h - d 1 h — q : 0 . 2 . . / : , O / : . _ : . _ j . ’ % — 1 . . : 5 : ' % E . I - — - I : : 5 y a . : - V _ ' f “ - ' 1 , , 0 W a t e r A i r H o t w a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s b . F i r s t - c r a c k s t r e n g t h / u l t i m a t e s t r e n g t h F i g u r e 4 . 1 8 ( c o n t i n u e d ) F i g u r e 4 . 1 9 : F r 6 l . e e i 9 x n u M f r P o a r a l c . t s d e r c e e n m g e t n h t d c e u v r e e o l d e p i m n n d t i w f f i e t r h e t t n i m e e n o r f o c m n a e r n b t o s n 1 v i e f K i s b i r - 1 2 2 f i g u r e i n d i c a t e s t h a t h o t w a t e r c u r i n g a c c e l e r a t e s t h e g a i n i n s t r e n g t h s u c h t h a t t h e s p e c i m e n s p r a c t i c a l l y r e a c h t h e i r f u l l s t r e n g t h a t t h e a g e s o f 7 d a y s . O t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s p r o d u c e s i m i l a r t e n d e n c i e s i n f l e x u r a l s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e , a n d r e q u i r e a b o u t 1 4 d a y s t o p r o v i d e t h e m a t e r i a l w i t h i t s f u l l s t r e n g t h . F l e x u r a l S t r e n g t h ( K s i ) , . - - ' “ ' . H o t W a t e r 2 . . ° ’ C u r i n g 1 . 5 _ : . ’ O . ’ _ . . ’ _ _ . . _ _ " _ _ S t e a m C o n d i t i o n s a " . : . / . . A i r ' e 1 I ' d . ” - - - - - - - - - - v v . w a t e r v " . ‘ ‘ m — . — “ 0 " v 0 . 5 “ f I I I 0 1 I . 7 1 0 1 5 5 8 A g e ( d a y s ) 4 . 4 . u m m a n C o c u ' 0 A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c d c e m e n t . T h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d c u r i n g c o n d i t i o n o n t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e i n v e s t i g a t e d . T w o f i b e r l e n g t h s ( 1 / 8 i n . - 3 m m a n d 1 / 1 6 i n . - 1 . 5 m m ) , t w o v o l u m e f r a c t i o n s ( 3 % f o r b o t h f i b e r l e n g t h s a n d 5 % f o r s h o r t e r f i b e r s ) , a n d f i v e c u r i n g c o n d i t i o n s ( i n a i r , w a t e r , h o t w a t e r , m o i s t r o o m o r s t e a m f o r o n e d a y a n d t h e n i n 1 2 3 a i r ) w e r e i n c l u d e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m . T h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h , t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , t o u g h n e s s ( r e p r e s e n t i n g p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ) , i n i t i a l s t i f f n e s s , a n d f i r s t c r a c k - t o - u l t i m a t e s t r e n g t h r a t i o . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y : 1 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t s i n s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c e m e n t m a t e r i a l s . D i f f e r e n t f i b e r l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y p r o d u c e d c o m p o s i t e s w i t h c o m p a r a b l e f l e x u r a l s t r e n g t h s , e x c e p t f o r c o n d i t i o n s w i t h h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g w h e r e f i b e r s a t 5 % v o l u m e f r a c t i o n w e r e m o r e e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g f l e x u r a l s t r e n g t h t h a n t h o s e a t 3 % v o l u m e f r a c t i o n s . H o t w a t e r c u r i n g r e s u l t s i n c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h h i g h e s t f l e x u r a l s t r e n g t h ( t y p i c a l l y a b o u t 4 0 % m o r e t h a n w h a t w o u l d b e o b t a i n e d b y t h e s e c o n d b e s t c u r i n g c o n d i t i o n w h i c h i s u s u a l l y i n s t e a m ) ; 2 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . L o n g e r f i b e r s a r e m o r e e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g e n e r g y a b s o r p t i o n . T h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , e x c e p t f o r t h e m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n , a l s o h a s a p o s i t i v e e f f e c t o n e n e r g y a b s o r p t i o n . S t e a m a n d e s p e c i a l l y h o t w a t e r c u r i n g d a m a g e t h e d u c t i l i t y o f m a t e r i a l b e h a v i o r a n d r e d u c e i t s e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . A t 5 % v a l u e f r a c t i o n , h o w e v e r , t h e s u p e r i o r f l e x u r a l s t r e n g t h o b t a i n e d b y h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g t e n d s t o p r o v i d e a s i g n i f i c a n t p r e - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y w h i c h , t o a c e r t a i n e x t e n t , c o m p e n s a t e f o r t h e n e g a t i v e e f f e c t s o f s t e a m a n d h o t w a t e r c u r i n g o n p o s t - p e a k d u c t i l i t y ; 3 . F i b e r r e i n f o r c e m e n t g e n e r a l l y i n c r e a s e s t h e t o u g h n e s s 1 2 4 ( p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ) o f c e m e n t c o m p o s i t e s , n o t i n g t h a t s m a l l t o u g h n e s s i s a d e f i c i e n c y o f p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . D i f f e r e n t f i b e r l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n g e n e r a t e c o m p o s i t e s w i t h c o m p a r a b l e t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s , e x c e p t t h a t f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r h a v e p r a c t i c a l l y z e r o p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ; 4 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a s m a l l e f f e c t o n t h e i n i t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . H o t w a t e r c u r i n g p r o d u c e s p l a i n a n d f i b r o u s c e m e n t s w i t h d i s t i n c t l y h i g h f l e x u r a l s t i f f n e s s e s ; 5 . T h e r a t i o o f f i r s t c r a c k t o u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h . i s 1 . 0 f o r p l a i n m a t r i c e s , a b o u t 0 . 8 f o r f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n o t h e r t h a n h o t w a t e r c o n d i t i o n s , a n d 1 . 0 f o r f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e p r e - p e a k b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r i n c r e a s i n g f l e x u r a l l o a d s i n v o l v e s a g r a d u a l p r o c e s s o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n , a n d t h u s a d i s t i n c t c r a c k i n g l o a d c a n b e h a r d l y d i s t i n g u i s h e d . C H A P T E R 5 T E N S I L E P E R F O R M A N C E C H A R A C T E R I S T I C S 5 . 1 . I n t r o d u c t i o n U n r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s a r e u s u a l l y w e a k a n d b r i t t l e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s , m a i n l y d u e t o t h e r e l a t i v e e a s e o f p r o p a g a t i o n a n d i n t e r c o n n e c t i o n o f m i c r o c r a c k s t h a t l e a d t o t h e f o r m a t i o n o f a n u n s t a b l e m i c r o c r a c k s y s t e m t h a t g r o w s c a t a s t r o p h i c a l l y a n d c a u s e s m a c r o c r a c k i n g } . 3 T h e s e m a c r o c r a c k s c a n n o t b e r e s t r a i n e d i n p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s a n d t h u s f a i l u r e i n t h e s e m a t e r i a l s i s b r i t t l e . F i b e r s , e s p e c i a l l y t h e l o w - d i a m e t e r o n e s l i k e c a r b o n , w h e n u n i f o r m l y d i s p e r s e d i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s , c a n a r r e s t a n d d e f l e c t m i c r o c r a c k s ( t h u s i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s ) . F i b e r s a l s o b r i d g e t h e m a c r o c r a c k s i n c e m e n t - b a s e d m a t r i c e s a n d p r o v i d e s o m e r e s t r a i n t a g a i n s t t h e i r o p e n i n g , t h u s i n c r e a s i n g t h e p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n o f t h e m a t e r i a l u n d e r d i r e c t t e n s i o n . T h i s c h a p t e r d e a l s w i t h t h e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s t i e s u n d e r d i r e c t t e n s i o n . A c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f t h e l i t e r a t u r e o n t h i s t o p i c i s p r e s e n t e d f o l l o w e d b y t h e t e n s i l e t e s t r e s u l t s p r o d u c e d i n t h i s r e s e a r c h p r o j e c t . 5 . 2 . M a r q u e s ! T h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s i n c r e a s e a s a r e s u l t o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t ( F i g u r e 5 . 1 . a ) . 5 ’ 1 4 1 2 5 a n d a l s o h i g h e r a s p e c t r a t i o ( a n d c o n s e q u e n t l y h i g h e r i n t e r f a c i a l 1 2 6 T h e i n c r e a s e i n d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h i s a l m o s t p r o p o r t i o n a l t o t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( F i g u r e 5 . 1 . b ) . F i g u r e 5 . 1 . a i n d i c a t e s t h a t t h e r e i s a s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n t h e d u c t i l i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w i t h i n c r e a s i n g f i b e r v o l u m e u p t o a c e r t a i n l i m i t . T h e r e a f t e r , t h e r a t e o f i n c r e a s e i n d u c t i l i t y d e c r e a s e s . T h i s c a n b e i l l u s t r a t e d b y t h e p o t e n t i a l d a m a g e t o f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y ( a n d c o n s e q u e n t l y s t r e n g t h a n d e s p e c i a l l y d u c t i l i t y ) o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s a t e x c e s s i v e l y h i g h f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s . F a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , b e s i d e s f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , i n c l u d e f i b e r g e o m e t r y a n d m a t e r i a l p r o p e r t i e s , m a t r i x c o m p o s i t i o n , c u r i n g c o n d i t i o n s , a n d s p e c i m e n s i z e . R e f e r e n c e 1 5 h a s c o m p a r e d t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s c o n t a i n i n g t w o d i f f e r e n t t y p e s o f c a r b o n f i b e r s . T h e s e w e r e p i t c h - t y p e a n d p a n - t y p e c a r b o n f i b e r s w i t h d i a m e t e r s o f 1 4 . 5 m i c r o n s a n d 7 . 0 m i c r o n s ( 5 . 7 x 1 0 - 4 i n . a n d 2 . 8 x 1 0 - 4 i n . ) , a s p e c t r a t i o s o f 2 0 7 a n d 4 2 9 ( b o t h h a v i n g a l e n g t h o f 3 m m - 0 . 1 2 5 i n . ) , t e n s i l e s t r e n g t h s o f 7 8 0 a n d 3 , 2 0 0 M P a ( 1 1 0 a n d 4 5 0 K s i ) , e l a s t i c m o d u l i o f 3 . 8 x 1 0 4 a n d 2 3 0 x 1 0 4 M P a ( 5 , 4 0 0 a n d 3 2 , 4 0 0 K s i ) , a n d e l o n g a t i o n s o f 2 . 1 % a n d 1 . 4 % , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 5 . 2 . a c o m p a r e s t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n d i a g r a m s o f s i m i l a r c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h t h e s e t w o t y p e s o f f i b e r s . F i g u r e 5 . 2 . b p r e s e n t s t h e i n c r e a s e i n t h e f i b r o u s c o m p o s i t e t e n s i l e s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n v o l u m e f r a c t i o n o f t h e t w o f i b e r t y p e s . T h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s r e i n f o r c e d w i t h p e n t y p e c a r b o n f i b e r s i s o b s e r v e d , i n F i g u r e 5 . 2 , t o b e m o r e t h a n t h a t o f c o m p a r a b l e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h p i t c h - t y p e f i b e r s . T h i s c a n a b e a t t r i b u t e d t o t h e h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h a n d e l a s t i c m o d u l u s , T e n s i l e S t r e s s ( K s i ) l I I I T — w 1 2 7 2 . : q F i b e r V o l u m e F r a c t i o n I . V f ( z ) 1 ‘ \ 3 . 2 1 . 7 q 0 0 l l l 0 5 1 0 1 5 T e n s i l e S t r a i n ( 1 0 - 3 ) a . O v e r a l l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s I T e n s i l e S t r e n g t h ( K s i ) 2 . a F i g u r e 5 . 1 : O 1 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r e c t i o n v f ( 2 ) b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h . E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 2 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d 7 d a y s a i r - c u r i n g ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 8 1 - 6 . 9 M P a c o m p o s i t e s . i n c r e a s e i n w T a h i s i t e r - c s e c l n e t m e a r l y s h o w n i n r a t i o ( 1 1 3 % b F y i g w u e r e 5 . 4 5 ’ 6 i g h t ) f o r ’ p 1 2 ' 1 7 r e s e r v i n g t h e 1 2 8 a r e a ) o f t h e p a n t y p e f i b e r s . B e y o n d a c e r t a i n f i b e r v o l u m e p e r c e n t a g e , h o w e v e r , t h e p r o b l e m s w i t h u n i f o r m d i s p e r s i o n o f p a n - t y p e c a r b o n f i b e r s ( h a v i n g , h i g h e r a s p e c t r a t i o s t h a n p i t c h - t y p e f i b e r s ) i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s t a r t t o r e d u c e t h e i r s u p e r i o r i t y o v e r p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r s . F i g u r e 5 . 2 . a a l s o i n d i c a t e s t h a t p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r s g e n e r a t e c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s w i t h a b e t t e r p o s t - p e a k d u c t i l i t y ; w h e n c o m p a r e d w i t h p a n - b a s e d c a r b o n f i b e r s . T h i s c o u l d b e d u e t o t h e h i g h e r e l o n g a t i o n a n d l o w e r p u l l - o u t s t r e n g t h ( d u e t o l o w e r i n t e r f a c i a l a r e a ) o f p i t c h - b a s e d f i b e r s c o m p a r e d t o p a n - b a s e d o n e s . T h e l o w e r p u l l - o u t s t r e n g t h w o u l d e n c o u r a g e p u l l - o u t o f f i b e r s i n s t e a d o f t h e i r r u p t u r e a t c r a c k s u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s . F i b e r p u l l - o u t i s a n e f f e c t i v e m e a n s o f a b s o r b i n g e n e r g y a n d p r o v i d i n g d u c t i l i t y . R e f e r e n c e 1 2 h a s p r e s e n t e d t h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . A s s h o w n i n F i g u r e 5 . 3 , t h e 3 m m ( 0 . 1 2 5 i n . ) c a r b o n f i b e r s s e e m t o b e m o r e e f f e c t i v e t h a n t h e 1 0 m m ( 0 . 3 9 4 i n . ) f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s . T h i s c a n b e i n t e r p r e t e d b y t h e f a c t t h a t t h e l o n g e r c a r b o n f i b e r s t e n d t o h a v e s o m e b a l l i n g p r o b l e m s w h i c h t e n d t o r e d u c e t h e i r e f f e c t i v e n e s s i n e n h a n c i n g t h e t e n s i l e c h a r a c t e r i s t i c s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . 1 M a t r i x c o m p o s i t i o n i s a n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o r i n f l u e n c i n g t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s w h i c h p r e s e n t s t h e t e n s i l e s t r e n g t h s f o r d i f f e r e n t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . F i g u r e 5 . 4 i n d i c a t e s t h a t t h e i n c o r p o r a t i o n o f h i g h v o l u m e f r a c t i o n s o f l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s ( 7 1 % b y w e i g h t o f c e m e n t ) , a n d t h e c o n s e q u e n t i l e S t r e s u m v 5 4 o . . l 3 2 n ~ ! ‘ " 2 l o . 1 T e n F V i f b e “ 1 . . s I r o 0 l 0 s f I 5 l i ) ( K s i r a c t i ) o n — - - - T e n s t r e s s - s " F i b t e e 3 l s — - l 1 s r 0 i a r t a . O v e r a T e n s i l e S t r e n g t h ( K _ 1 c - q p p e i n t - c b h e - s b e a d s e d - - . 0 0 1 ) T 1 ( — 5 0 s a u i n r v e l e S t r i y n c p e p a n ‘ b ‘ 3 C d / F i b e r e V v o f l ( u z m ) F r a c t i o n 1 2 9 F i b e r t y p e b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h . t r i c ° f c a r b o n f i b e r t y p e ( m a t e r i a l a n d g e o m e F i g u r e 5 . 2 . $ 3 2 3 1 2 9 . ) o n t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n 1 5 c - o 4 7 s i l i c a b r e i n f o r c e d c e m e n t . ( w a t e r / c e m e n . , - S é w s e r r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l i s e / g e m g g fi i m i l - i 2 1 1 } , b r l e n t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m x n g y . fi p e g i m e n ' s g c r o s s s e c t i o n - 0 . 2 4 x 1 . 1 8 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 1 3 0 T e n s i l S t r e n g t h 2 _ ( x 3 1 ) F i b e r L e n g t h L f ( 1 n ) “ " " J ‘ [ 7 l 4 1 2 1 1 4 5 w “ F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v i ( 2 ) F i g u r e 5 . 3 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 2 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a 1 3 1 f l o w a b i l i t y o f f r e s h m i x , h a v e s i g n i f i c a n t l y l o w e r t e n s i l e s t r e n g t h s t h a n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w i t h n o a g g r e g a t e s . H o w e v e r , t h e u s e o f m i c r o b a l l o o n s a t 2 4 % v o l u m e f r a c t i o n d o e s n o t n e c e s s a r i l y l e a d t o a c o m p o s i t e w i t h l o w t e n s i l e s t r e n g t h . I t c a n a l s o b e c o n c l u d e d 5 , 6 , 1 2 - 1 7 f r o m F i g u r e 5 . 4 t h a t t h e i n c r e a s e i n s i l i c a p o w d e r - c e m e n t r a t i o f r o m 2 5 % t o 5 0 % t e n d s t o h a v e a n e g a t i v e e f f e c t o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e d a m a g i n g e f f e c t o n t e n s i l e s t r e n g t h o f s i l i c a p o w d e r a n d m i c r o b a l l o o n s c a n b e e x p l a i n e d b y t h e f a c t t h a t a g g r e g a t e s i n c a r b o n f i b e r c e m e n t t e n d t o d i s t u r b t h e u n i f o r m d i s p e r s i o n o f f i b e r s a n d r e d u c e t h e b o n d s t r e n g t h b e t w e e n t h e m a t r i x a n d f i b e r s . T h e u s e o f c l a s s F f l y a s h a s a d i s p e r s a n t ( l o w - q u a l i t y d i s p e r s a n t ) a t 5 0 % o f t h e w e i g h t o f c e m e n t w i t h l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s ( p a r l i t e ) o c c u p y i n g 3 0 % o f t h e t o t a l v o l u m e o f t h e c o m p o s i t e t e n d e d i n R e f e r e n c e 6 t o l i m i t t h e c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t h a t c o u l d b e p r a c t i c a l l y i n c o r p o r a t e d i n t h e c o m p o s i t e ( b y t h e u s e o f a c o n v e n t i o n a l m o r t a r m i x e r ) t o a m a x i m u m o f 2 % . A l s o , t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f l i g h t - w e i g h t f l y a s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w a s s i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s w i t h s i l i c a f u m e ( s i l i c a f u m e h a s a l o w e r p a r t i c l e s i z e a n d h i g h e r p o z z a l a n i c a c t i v i t y t h a n f l y a s h ) a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 4 . T h e u s e o f l a t e x a s a m i x i n g r e d i e n t ( a t 5 % b y w e i g h t o f c e m e n t ) i n l i g h t w e i g h t c a r b o n f i b e r c e m e n t w i t h f l y a s h c a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e . T h i s i s d u e t o t h e i m p r o v e d m i c r o s t r u c t u r e o f t h e c o m p o s i t e a n d t h e c o n s e q u e n t i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h b e t w e e n t h e f i b e r s a n d t h e m a t r i x d u e t o t h e i n c o r p o r a t i o n o f l a t e x . 6 I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t i n R e f e r e n c e 6 , d i f f e r e n t w a t e r - b i n d e r r a t i o s w e r e u s e d w i t h d i f f e r e n t m i x e s t o o b t a i n a c o n s t a n t w o r k a b i l i t y f o r a l l m i x p r o p o r t i o n s . 1 3 2 T e n s i l e S t r e n g t h ( K s i ) ° F I I I I I o 1 2 3 z . 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n , V ( X ) . w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 . s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r c e m e n t - 0 . 0 6 . f l y a s h / c e m e n t - 1 . l i g h t - w e i g h t s a n d / b i n d e r - 0 . 3 b y v o l u m e . f o a m i n g a g e n t / b i n d e r - 0 . 0 0 1 O f l y a s h / c e m e n t - 1 . l i g h t - w e i g h t s a n d / b i n d e r - 0 . 3 b y v o l u m e . l a t e x / b i n d e r - 0 . 0 5 F i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n . m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d a u t o c l a v e c u r i n g . A w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 L u s t e r / c e m e n t - 0 . 5 3 . s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 5 0 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 o w a t e r / c e m e n t - 0 . 6 2 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 2 4 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 6 . w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 F i b e r l e n g t h ' - 0 . 3 9 i n . m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d 7 d a y s a i r c u r i n g . F i g u r e 5 . 4 : E f f e c t s o f m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s o n t h e d i r e c t t e n s i l e . s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s . 6 ’ 1 2 ’ 1 4 ( s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 1 3 3 T h e d e c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o l e a d s t o a n i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h a n d a d e c r e a s e i n d u c t i l i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s u n d e r d i r e c t t e n s i o n a s s h o w n i n F i g u r e 5 , 1 4 5 . 5 T h i s i s p r o b a b l y d u e t o t h e i n c r e a s e i n s t r e n g t h o f t h e m a t r i x a n d t h e c o n s e q u e n t i n c r e a s e i n i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h w h i c h m a y l e a d t o t h e r u p t u r e o f f i b e r s p r i o r t o t h e i r p u l l - o u t . T h e c u r i n g c o n d i t i o n i s a n o t h e r f a c t o r s i g n i f i c a n t l y a f f e c t i n g t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . A u t o c l a v e c u r i n g ( a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 6 ) 5 ’ 1 4 ’ 1 5 i m p r o v e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s . A u t o c l a v i n g , h o w e v e r , t e n d s t o d a m a g e t h e d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l ( s e e F i g u r e 5 . 7 ) . T h e s e e f f e c t s o f a u t o c l a v e c u r i n g m a y b e d u e t o t h e i m p r o v e m e n t s i n f i b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s r e s u l t i n g f r o m c u r i n g i n a u t o c l a v e , w h i c h e n c o u r a g e f i b e r r u p t u r e w i t h l o w e n e r g y a b s o r p t i o n . P o l y m e r i m p r e g n a t i o n h a s a l s o b e e n a p p l i e d t o a u t o c l a v e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . ] ' S T h i s a p p r o a c h t o t h e m o d i f i c a t i o n o f t h e m a t r i x a n d i n t e r f a c e p r o p e r t i e s i s e f f e c t i v e i n f u r t h e r i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e . P o l y m e r i m p r e g n a t i o n , h o w e v e r , d a m a g e s t h e d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , p o s s i b l y d u e t o t h e i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h w h i c h e n c o u r a g e s f i b e r r u p t u r e b e f o r e p u l l - o u t ( s e e F i g u r e 5 . 8 ) . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t a n i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h ( d u e t o a u t o c l a v i n g ) d o e s n o t n e c e s s a r i l y l e a d t o a n i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h . P o s t - p e a k d u c t i l i t y i n t e n s i o n ( w h i c h i s d a m a g e d d u e t o a u t o c l a v i n g ) i s a n i m p o r t a n t f a c t o r d e c i d i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T e n s i l e S t r e s s ( K s i ) T e n s i l e S t r a i n ( a . D i r e c t t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o 0 n . 0 s 0 h 1 ) i p s 1 3 4 2 " ! o — — - 4 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n 2 v f ( z ) l e d " " ’ 0 0 | l l 1 * 5 1 0 1 5 l T e n s i l e S t r e n g t h ( K s i ) F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V : ( 2 ) b . D i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h F i g u r e 5 . 5 : T e n s i l e p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w i t h l o w w a t e r - c e m e n t r a t i o . ] ‘ 1 + ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 0 , w a t e r r e d u c e r / c e m e n t - 0 . 0 2 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 8 1 6 . 9 E fl l e 1 3 ' 0 . . A 5 w m c a e r 3 < D A . 6 : 1 1 / e 1 f x c s c r e , e t t o w m 0 E o r y t s 0 e h s a . f f i e e e / l c m c f l t e e i u i n m b l o t e e c r t a ) c r b - s t f e - l n i o n n r o o l 1 / - e . c 0 n a n I 2 e 1 . 0 g u f n 7 . e 7 4 h o b 3 m 4 . t t - i t m x - . c e 2 i l 5 r c - s 0 1 a . r . i . o 0 1 l 1 b . 8 i 2 e r v 4 a 0 c e m l 0 a i i c i m L . o o f r I 3 A O l 9 n n o . . p u n , p p a i n t t h c c b e e n r n f w s / i d p i o 1 m r / i e e r c g K c e c m e s l o n e e d i y F e t m n n p t i n y 4 e b - g e ' n s c - p e t 1 t t e F i g u r e f e 0 r h c V 7 - o . . r h 6 m e . e i b f e i e u . 2 b r l 0 . s t d r m v 3 s 5 i e 9 e . f r . M ’ ] P r ) n e i c ’ F i m t u c e 4 a . 5 a 1 . t o t 1 t s y " c h n 5 i p l - t o e c n c 0 i e . e ( n M m l 2 s i n u e l 4 i l x i x l i o e n 1 s s 1 e . g - 8 t i i n . r n e n O g m t n h i o 0 1 s n 9 1 3 5 T e n s i l e S t r e n g t h ( K s i ) , A 2 4 ” ” ‘ : 3 I A é ’ — - - - - — - - ‘ m : : : : ’ , ’ fl ’ ” ‘ - - 1 I n ’ a i r a u t o c l a v e , ’ : u r i n g c u r i n - - ‘ - - ‘ - n a " . S t r e s s ( K s i ) 2 — - - - - a i r c u r i n g - - - - - - a u t o c l a v e c u r i n g q F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . V f ( 2 ) 1 - ~ o s o ’ " " ‘ : - A " ' - ’ - 2 e 9 3 . 9 I ‘ _ . ’ - ~ l / 5 - 2 ’ _ : 2 2 . 9 I 1 . 9 1 0 1 5 S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) F i g u r e 5 . 7 : E f f e c t s o f a u t o c l a v e c u r i n g o n t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s s i t e s . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 0 9 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r , s p e c i m e n ' s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 4 7 x 1 . 1 8 i n ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a 0 I 0 I 5 I 1 0 r 1 5 1 3 6 T e n s i l e S t r e s s ( K s i ) I ~ ' \ 5 3 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n ° v f ( z ) - — a u t o c a l v i n g O m . - - a u t o c a l v i n g a n d p o l y m e r i m p r e g n a t i o n T e n s i l e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) a . S t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s T e n s i l e S t r e n g t h ( R s i ) a u t o c l a v i n g . - " ' J 1 _ . . r ' " a t " . A f a ’ a u t o c l a v i n g O — | l I 1 I 1 0 1 Z 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . V I ( 1 ) b . T e n s i l e s t r e n g t h s . F i g u r e 5 . 8 : E f f e c t s o f p o l y m e r i m p r e g n a t i o n o n t h e t e n s i l e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f a u t o c l a v e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i x e r a n d s p e c i m e n ' s c r o s s - s e c t i o n - 0 . 2 4 x 1 . 1 8 i n ) . 6 . 9 M P a . 1 i n - 2 5 . 4 m m . 1 K s i - 1 3 7 5 . 3 . E X p e r i m e n t a l R e s u l t s F i g u r e s 5 . 9 . a t h r o u g h 5 . 9 . d s h o w t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f t h e p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d a l s o t h o s e f o r m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) f i b e r , 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , r e s p e c t i v e l y , c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . T h e t r e n d s o b s e r v e d i n F i g . 5 . 9 r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e w i l l b e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . I n o r d e r t o q u a n t i f y t h e t o u g h n e s s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r d i r e c t t e n s i o n , i n t h e e v a l u a t i o n o f s t r e s s - s t r a i n m e a s u r e m e n t s g i v e n i n F i g u r e 5 . 9 , t h e t o t a l a r e a u n d e r n e a t h t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r e s s c u r v e u p t o a s t r a i n o f 0 . 0 0 6 w a s d e f i n e d a s a m e a s u r e o f e n e r g y a b s o r p t i o n , a n d t h e r a t i o o f t h i s v a l u e t o t h e a r e a u n d e r n e a t h s t r e s s - s t r a i n c u r v e p r i o r t o c r a c k i n g w a s c h o s e n t o r e p r e s e n t t o u g h n e s s . 2 7 - F i g u r e 5 . 1 0 s u m m a r i z e s t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s f o r c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s , s u b j e c t e d t o d i r e c t t e n s i o n . I t c a n b e c o n c l u d e d f o r m F i g u r e 5 . 1 0 t h a t h o t w a t e r c u r i n g r e s u l t s i n d i s t i n c t l y h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h s e s p e c i a l l y a t h i g h e r f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s . T h e o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s g i v e c o m p a r a b l e t e n s i l e s t r e n g t h s , a n d d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s p r o d u c e s i m i l a r i m p r o v e m e n t s i n t e n s i l e s t r e n g t h s a f t e r c u r i n g i n w a t e r a t a m b i e n t t e m p e r a t u r e , i n s t e a m o r m o i s t r o o m . H o t w a t e r c u r i n g , w h e n c o m p a r e d w i t h a i r c u r i n g , i n c r e a s e s t h e t e n s i l e s t r e n g t h ' b y a b o u t 4 0 % a t a . f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 3 % ( 1 / 1 6 o r 1 / 8 i n . f i b e r s ) , a n d b y a b o u t 1 0 0 % a t a f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 5 % ( 1 / 1 6 i n . ) . T e n s i l e S t r a i n ( x 1 0 ' 3 ) 1 3 8 T e n s i l e S t r e s s , 1 0 0 0 - 4 ( P 5 1 ) W a t e r A i r . . . . . . C u r i n g C o n d i t i o n s S t e a m — e e — 8 0 0 - M O i S t U I G e o e e e e e e e e e e 6 0 0 ' 1 4 0 0 - 2 0 0 - - I \ " _ 1 ‘ . \ 0 I I I I I I 1 2 3 4 5 6 a . P l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x F i g u r e 5 . 9 : T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s . ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 3 2 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d s p e c i m e n ' s c r o s s s e c t i o n - l x l i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 4 l e T e n s i S t r b . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b F i g u r e 5 . 9 : ( c o n t e i r l e n n u e d ) 5 1 ( 0 ' 3 i n t h ( L ) f a g 6 ) - 1 / 8 i n 1 3 9 T e n s i l e S t r e s s ( p s i ) A i r " ' " " " - - C u r i n g C o n d i t i o n s 3 0 : W a t e r - - I - - - S t e a m — 0 o - — 8 0 0 ‘ M o i s t u r . e e e e e e e e - e e e o 6 0 0 - 4 0 0 ' 1 2 0 0 " ' F i g u r e 5 . 9 : ( c o n t i n u e d ) 1 4 0 T e n s i l e S t r e s s ( p s i ) 1 0 0 0 - A i r " — — — - C u r i n g H W . C o n d i t i o n s a t a t e r S t e a m _ e e — 8 0 0 ‘ M o i s t u r . . I O C O I O O O C O O O 6 0 0 - . 4 0 0 - I T e n s i l e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) c . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n C u r i n g A H M S i o o t r t i e r w m t a u a s t r e e - " - " — 0 — — ' " — ' " m ’ 1 0 8 6 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4 - " ‘ - ’ I . I O I - i O I ! ( f p ‘ s . 1 ) l 1 1 e l . \ O \ . e \ . F i g u r e 5 . 9 ( c o n t i n u e d ) 1 4 1 T e n s i l e S t r e s s T e n s i e l S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 5 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 5 i n 1 4 2 1 / 1 6 T e n s i l e S t r e n g t h , — - \ 1 , ” - L f ( i n ) 1 ( K s i ) : ? U l t i m a t e S t r e n g t h u $ 1 — I 1 “ F i r s t - C r a c k S t r e n g t h 3 : \ _ . . I 0 V f ( Z ) 0 . 5 . . 0 7 / 7 / ‘ — ' 1 5 : ‘ ‘ w a t e r A i r H o t W a t e r S t e a m H o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 5 . 1 0 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e u l t i m a t e a n d f i r s t - c r a c k t e n s i l e l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a s t r e n g t h s . 1 4 3 T e s t r e s u l t s o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s u n d e r d i r e c t t e n s i o n a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e 5 . 1 1 . W h i l e p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s h o w n e g l i g i b l e e n e r g y a b s o r p t i o n , t h e f i b r o u s o n e s a r e c a p a b l e o f a b s o r b i n g s i g n i f i c a n t a m o u n t s o f e n e r g y u n d e r d i r e c t t e n s i o n . C o n s i d e r i n g t h e v a r i a t i o n s i n t e s t r e s u l t s , i t m a y b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e 5 . 1 1 t h a t , e x c e p t f o r t h e s p e c i m e n s c u r e d i n h o t w a t e r , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y h a v e s i m i l a r e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . T h e h o t w a t e r c u r e d s p e c i m e n s w e r e r e l a t i v e l y b r i t t l e , a n d a b s o r b e n e r g y m a i n l y p r i o r t o c r a c k i n g c a p a c i t y w h i c h i s a s s o c i a t e d w i t h f i b e r p u l l - o u t . T h e m e a s u r e d i n i t i a l s t i f f n e s s o f p l a i n a n d f i b r o u s c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s u n d e r d i r e c t t e n s i o n a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 2 . C o m p a r e d t o t h e e f f e c t s o f c u r i n g c o n d i t i o n , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t s e e m s t o h a v e a n i n s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n t h e t e n s i l e s t i f f n e s s o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . C u r i n g i n s t e a m a n d e s p e c i a l l y i n h o t w a t e r a r e e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t i f f n e s s o f p l a i n a n d f i b r o u s m a t e r i a l s . 5 - 4 - W T h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r d i r e c t t e n s i o n a r e p r e s e n t e d . T h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d c u r i n g c o n d i t i o n , o n t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s a r e d e s c r i b e d . T h e t e s t p r o g r a m c o v e r e d p l a i n c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s a n d f i b r o u s o n e s w i t h 3 % a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , a n d w i t h 3 % o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) f i b e r s . T h e t e s t s p e c i m e n s w e r e c u r e d i n a i r , m o i s t r o o m , w a t e r , h o t w a t e r , a n d s t e a m . 1 4 4 L ( i n ) 1 / 1 6 E n e r g y A b s o r p t i o n / ' 3 : 1 C a p a c i t y ( 1 b . i n / i n 3 ) E ' 3 ; 2 ‘ W 5 : " . 1 W " 1 - E g g g é é g ; 0 _ _ . L L - ” H a s — L I L Z E ‘ . . . 0 w a t e r A i r H o t W a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 5 . 1 1 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y u n d e r t e n s i l e l o a d i n g c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n / i n 3 - 0 . 0 0 7 N . m i n / 1 1 1 1 1 1 3 { E g i i l e S t i f f n e s s l f ( i n ) 1 / 1 6 7 " ' \ 1 / 8 - 4 0 0 0 - : 1 f { : 2 _ . . . ' : . V s “ ) . H J . _ _ } } 5 3 0 1 1 1 L — n z ; 2 0 0 0 - — - ° . . . 1 ' " 3 " — - ~ ' 5 - I I . " . 0 _ ’ " ' L — : a = : : ‘ b f . . . 1 — — I : — : 3 — ~ . - : : - , ‘ - , 5 " " 5 - 0 7 / _ ; . ) F . e . fl . ' . A i r H o t w a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 5 . 1 2 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e i n t i a l s t i f f n e s s u n d e r d i r e c t t e n s i o n . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 1 4 5 T o u g h n e s s ( a r e p r e s e n t a t i v e o f p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ) i s g e n e r a l l y d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( m e a s u r e d u p t o a s t r a i n o f 0 . 0 0 6 ) t o t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e m a t e r i a l p r i o r t o c r a c k i n g . F i g u r e 5 . 1 3 s u m m a r i z e s t h e m e a s u r e d v a l u e s o f t o u g h n e s s i n t e n s i o n t e s t s p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y . T h e p l a i n s p e c i m e n s h a v e a t o u g h n e s s v a l u e c l o s e t o 1 . 0 , i n d i c a t i n g n e g l i g i b l e p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t , e x c e p t f o r c u r i n g i n h o t w a t e r , p r o v i d e s c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s w i t h a s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e d t o u g h n e s s . T h e r e s e e m s t o b e a t e n d e n c y i n t h e t o u g h n e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n . T h e d a m a g e t o t o u g h n e s s r e s u l t i n g f r o m h o t w a t e r c u r i n g m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e b o n d i n g o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s t o c a r b o n f i b e r s r e s u l t i n g f r o m h o t w a t e r c u r i n g . A n e x c e s s i v e l y s t r o n g b o n d ‘ e n c o u r a g e s t h e r u p t u r e o f f i b e r s p r i o r t o t h e i r p u l l - o u t . T h i s e l i m i n a t e s t h e m a j o r f r a c t i o n o f e n e r g y a b s o r p t i o n b y f i n p u l l - o u t a c t i o n . T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e t h a t : 1 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t s i n m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h e h i g h l y b r i t t l e n a t u r e o f f a i l u r e i n p l a i n c e m e n t m a t r i c e s i s c h a n g e d , e x c e p t a f t e r h o t w a t e r c u r i n g , t o a d e s i r a b l e p e r f o r m a n c e w i t h ‘ m a j o r p o s t - p e a k d u c t i l i t y . 2 . I m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . D i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s l e a d t o c o m p a r a b l e t e n s i l e s t r e n g t h s a f t e r a i r , w a t e r , s t e a m a n d m o i s t c u r i n g . H o t w a t e r c u r i n g , e s p e c i a l l y a t 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , r e s u l t s i n r e l a t i v e l y h i g h t e n s i l e s t r e n g t h s . 1 4 6 3 . M a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c a n b e a c h i e v e d b y c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . H o t w a t e r c u r i n g , t h r o u g h g e n e r a t i n g e x c e s s i v e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h b e t w e e n f i b e r s a n d m a t r i x , a n d b y e l i m i n a t i n g t h e p u l l - o u t a c t i o n o f f i b e r s b e f o r e r u p t u r e , r e d u c e s t h e e f f i c i e n c y o f f i b e r s i n e n h a n c i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . 4 . T o u g h n e s s , a r e p r e s e n t a t i v e o f p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , i s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t t h a n i n p l a i n c e m e n t , e x c e p t a f t e r h o t w a t e r c u r i n g . T h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n g e n e r a l l y i m p r o v e s t h e t o u g h n e s s o f f i b r o u s c e m e n t . 5 . T h e i n i t i a l t e n s i l e s t i f f n e s s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s e e m s t o b e m o r e d e p e n d e n t o n c u r i n g c o n d i t i o n t h a n o n c a r b o n f i b e r ' r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . S t e a m a n d e s p e c i a l l y h o t w a t e r c u r i n g g i v e h i g h e r s t i f f n e s s e s f o r b o t h p l a i n a n d f i b r o u s m a t e r i a l s ; " 6 c . 1 . m a r b o n m r r T f h i e b e e p o r t e d i n r e i n f o r c v e e d s t c i e g m a e o t n i t n c s o m o p n o s c i o t m e p s r e h s a s v i e v e b e c e h n a r m a a c i t n e r i s t i c s l y c o n c e r n o e f d C H A P T E R 6 C O M P R E S S I V E B E H A V I O R 5 , 6 , 1 2 - 1 7 w i t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e m a t e r i a l . S o m e t e s t r e s u l t s a r e a l s o a v a i l a b l e o n t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s a n d t h e c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c a r b o n f i b e r c e m e n t . ] ' l " 1 5 C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s h a v e n o t b e e n r e c o r d e d i n t h e 5 , 6 , 1 2 - 1 7 l i t e r a t u r e . C a r b o n f i b e r s , d u e t o t h e i r c r a c k - a r r e s t i n g p r o p e r t i e s , a r e a n t i c i p a t e d t o h a v e s i g n i f i c a n t e f f e c t s o n t h e p o s t - ' p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d - m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n . . _ T h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s c h a r a c t e r i z e d b y : 1 . T h e m a t r i x p r o v i d e t h e m a i n f r a c t i o n o f t h e c o m p o s i t e s t r e n g t h u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s , a n d f i b e r s , i n g e n e r a l , t e n d t o h a v e a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f t h e m a t e r i a l ; 2 . C a r b o n f i b e r s , d u e t o t h e i r d a m a g i n g e f f e c t o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y , t e n d t o i n c r e a s e t h e a i r c o n t e n t o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l , t h e r e b y h a v i n g p o t e n t i a l l y n e g a t i v e e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e ; a n d 3 . F i b e r s , d u e t o t h e i r c r a c k a r r e s t i n g p r o p e r t i e s , h a v e s o m e p o t e n t i a l s f o r i m p r o v i n g t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s , e s p e c i a l l y i n t h e p o s t - p e a k r e g i o n . 1 4 7 i n d i c a t e t h a t t h e i n c r e a s e i n t h e f o a m i n g a g e n t c o n t e n t ( w h i c h l e a d s 1 4 8 T h i s c h a p t e r i n c l u d e s a r e v i e w o f t h e a v a i l a b l e l i t e r a t u r e o n t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , f o l l o w e d b y t h e p r e s e n t a t i o n o f f o l l o w e d b y t h e p r e s e n t a t i o n o f t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n , o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . 6 . 2 . fi a g k g r o u n g T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s g e n e r a l l y t e n d t o d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( s e e F i g u r e 6 . 1 . a ) . 6 ’ 1 4 S i m i l a r t r e n d s a r e a l s o o b s e r v e d f o r t h e c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f t h e c o m p o s i t e ( F i g u r e 6 . 1 . b ) . H o w e v e r , n o c o n s i s t e n t e f f e c t s w e r e o b s e r v e d i n R e f e r e n c e 1 4 o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s a s s h o w n ‘ i n F i g u r e 6 . 1 . c . — T h e e f f e c t s o f i n c o r p o r a t i n g c a r b o n f i b e r s i n l i g h t - w e i g h t m a t r i c e s ( w i t h h i g h t v o l u m e p e r c e n t a g e o f l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s a n d r e l a t i v e l y h i g h w a t e r - c e m e n t r a t i o s ) o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f e l a s t i c i t y s e e m t o b e n e g l i g i b l e ( F i g u r e s 6 . 2 . a a n d 6 . 2 . b ) . 1 4 C a r b o n f i b e r s , h o w e v e r , i n c r e a s e t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s o f l i g h t - w e i g h t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( F i g u r e 6 . 2 . c ) . 1 4 T h e m o d e o f f a i l u r e i n c o m p r e s s i o n t e n d s t o b e d u c t i l e i n c a r b o n f i b e r c e m e n t . M a t r i x m i x p r o p o r t i o n s , c u r i n g c o n d i t i o n s , f i b e r l e n g t h , f i b e r t y p e a n d s i z e o f s p e c i m e n s a r e a m o n g t h e f a c t o r s t h a t a f f e c t t h e c o m p r e s s i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . R e f e r e n c e 6 h a s s t u d i e d t h e e f f e c t s o f a d d i n g a f o a m i n g a g e n t t o c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s i n c o r p o r a t i n g c a r b o n f i b e r s . T h e r e s u l t s 1 1 m m m m e e e e n n n n t t t t w w w w a a a a t t t t e e e e r r r r / / / / c c c c e e e e I Z - - - - 0 0 0 0 . . . . 3 4 5 4 0 2 2 7 . , . . w m s s a e i i t t l l e h i i r y c c l a a r e c p p d e o o u l w w c l d d F i b e r V o I 3 e u e e e r l r r / o / / c s c c e e e e m / m m e c e e n e n n t m t t l - n - - t u m I 0 0 0 4 e . - . . F r a c t i . 0 0 5 2 2 0 0 5 . . 1 : m e e t h o h t n . V f I 5 y y l l c c e e ( l l 2 ) l l u u l l o o s s e e / / c c e e m m e e I n n t t - - 0 0 . . 0 0 1 1 1 6 - < 1 2 - I F i g u r e 6 . 1 : 1 4 9 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K 8 1 ) a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n . 1 4 ( f i b e r l e n g t h - 0 . 4 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y O m n i m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d 7 d a y s a i r c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a c . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s F i g u r e 6 . 1 : ( c o n t i n u e d ) 1 5 0 C o m p r e s s i v e M o d u l u s o f E l a s t i c i t y ( 1 0 0 0 K a i ) + — e M I 1 1 l I 0 1 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( 1 ) b . C o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y . S t r a i n a t P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s 8 ( 0 . 0 0 1 ) O l I I I 1 4 ’ 1 0 1 ‘ 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( 2 ) 1 5 1 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 2 0 . . . . ( “ ‘ 1 ’ 1 6 - 1 2 - 0 A i r C u r i n g Q A u t o c l a v e C u r i n g 8 . . 4 . . - - - - - - - - - - - - - ' ° ' - - - ~ - ° - - a o e o — - — ' O 0 I I I I I I 0 1 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V t “ ) a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 6 . 2 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f l i g h t - w e i g h t c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n . 1 4 ( w a t e r / c e m e n t - 1 . 1 3 , m i c r o b a l l o o n / c e m e n t - 0 . 7 1 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n , m i x i n g b y O m n i m i t e r a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 M P a . F i g u r e 6 . 2 : ( c o n t i n u e d ) 1 5 2 C o m p r e s s i v e M o d u l u s o f E l a s t i c i t y 4 _ ( 1 0 0 0 K s i ) 3 . . ( D A i r C u r i n g O A u t o c l a v e C u r i n g 2 . . 1 ‘ 1 0 l l I 1 T I 7 0 1 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( 2 ) b . C o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y S t r a i n a n d P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s ( 0 . 0 0 1 ) , . . — ' O A i r C u r i n g A u t o c l a v e C u r i n g F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( 1 ) c . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . m a t r i x , t h e r e b y i m p r o v e i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r 1 5 3 t o a n i n c r e a s e i n a i r c o n t e n t o f t h e m a t e r i a l ) t e n d s t o d a m a g e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f m a t e r i a l a t a d e c r e a s i n g r a t e ( F i g u r e 6 . 3 ) . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e m i x p r o p o r t i o n s o f R e f e r e n c e 6 w e r e d i s t i n g u i s h e d b y a h i g h v o l u m e p e r c e n t a g e ( 3 0 % ) o f l i g h t - w e i g h t a g g r e g a t e s a n d a l s o b y 5 0 % r e p l a c e m e n t o f c e m e n t w i t h f l y a s h . T h e s e d i s t i n c t a s p e c t s o f m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s l e d t o a r e l a t i v e l y l o w c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . I n a n o t h e r e x p e r i m e n t , R e f e r e n c e 6 u s e d a l a t e x p o l y m e r a t 5 % o f t h e b i n d e r ( c e m e n t a n d f l y a s h ) w e i g h t . P o l y m e r s t e n d t o f i l l t h e v o i d s i n s i d e m a t r i x , a n d a l s o b o n d t h e m i x c o n s t i t u e n t s a n d f i b e r s i n t h e c o m p o s i t e , a n d t h u s i n c r e a s e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l , a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 4 . T h e t e s t r e s u l t s o f R e f e r e n c e 6 h a v e i n d i c a t e d t h a t c a r b o n f i b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r v o l u m e f r a c t i o n s , h a v e a n e g a t i v e e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e c e m e n t c o m p o s i t e s t e s t e d i n R e f e r e n c e 6 , w i t h d i f f e r e n t f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s , h a v e c o m p a r a b l e w o r k a b i l i t i e s . T h i s w a s a c h i e v e d i n R e f e r e n c e 6 s i m p l y b y i n c r e a s i n g t h e w a t e r c o n t e n t a t h i g h e r f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s . T h e u s e o f s i l i c a f u m e , u p t o a c e r t a i n l i m i t , t e n d s t o i m p r o v e t h e u n i f o r m d i s p e r s i o n o f c a r b o n f i b e r s , a n d a l s o t h e o v e r a l l p r o p e r t i e s o f c e m e n t i t i o u ; m a t r i c e s . T h i s l e a d s t o a f a v o r a b l e e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , o f c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s , a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 5 . 1 3 B e y o n d a s i l i c a f u m e / b i n d e r r a t i o o f 4 0 % , h o w e v e r , t h e r e a r e a d v e r s e e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l r e s u l t i n g f r o m a n i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t , p o s s i b l y d u e t o t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y . T h e u s e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s i n c e m e n t m a t r i c e s f r e s h m i x t e n d s t o i m p r o v e t h e d i s t r i b u t i o n o f c a r b o n f i b e r s i n t h e c e m e n t C o m p r e s ( s K i 8 v 1 e ) F a ( Z o f c e m e n t S t r e n g t h o g a e m n i t + n c g f o l n y t e a n s t h ) o 1 2 3 0 0 0 . . . . I A ‘ I D 2 0 1 5 . . - 1 2 " 3 - 1 l . 0 1 2 3 F 4 i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( 2 ) F i g u r e 6 . 3 : 1 5 4 E f f e c t s o f f o a m i n g a g e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - l , l i g h t - w e i g h t s a n d / c e m e n t + f l y a s h - 0 . 3 ( b y v o l u m e ) , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , ' b r o k e n f l e x u r a l s p e c i m e n s 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n w e r e u s e d f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t s a n d a u t o c l a v e c u r i n g w a s e m p l o y e d ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a t l ( a 2 . e o x f f e o m a e m n i t c n g + n a f g l e y t a c h o ) s n t e n t s F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( 2 ) 2 0 1 6 1 2 F i g u r e 6 . 4 : 1 5 5 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h “ i n - 5 9 0 . O s 0 . ) . o E f f e c t s o f l a t e x o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 ( f l y a s h / c e m e n t - 1 , l i g h t w e i g h t s a n d / c e m e n t + f l y a s h - 0 . 3 ( b y v o l u m e ) , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d a u t o c a l v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 2 0 - 1 6 - 1 2 ‘ 8 - 4 4 . . 1 5 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K a i ) S u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t I o n n 0 0 . 0 4 A . 0 o 6 I 0 . 0 8 . 0 . 1 0 ‘ b r o k e n f l e x u r a l s p e c i m e n s 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n * u e r e u s e d f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t I l I I I 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 S i l i c a f u m e / c e m e n t F i g u r e 6 . 5 . : E f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . l 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . o f d i d n o t e x c e e d a c e r t a i n l i m i t ( a b o u t 3 % ) . 1 B e y o n d t h a t , t h e 1 5 7 r e i n f o r c e d c e m e n t ( F i g u r e 6 . 6 ) . 1 3 E x c e s s i v e a m o u n t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r h o w e v e r , ( a s s h o w n i n F i g u r e 6 . 6 ) , m a y a c t u a l l y l e a d t o u n f a v o r a b l e e f f e c t s o n w o r k a b i l i t y . T h i s c o u l d b e d u e t o t h e i n c r e a s e i n a i r c o n t e n t o f t h e m a t e r i a l r e s u l t i n g f r o m t h e a d d i t i o n o f l a r g e d o s a g e s o f s u p e r p l a s t i c i z e r . ' A s f a r a s t h e f i b e r l e n g t h e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s c o n c e r n e d , t h e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 1 2 i n d i c a t e t h a t t h e 3 m m ( 0 . 1 2 5 i n . ) f i b e r s a r e g e n e r a l l y m o r e e f f e c t i v e t h a n t h e 1 0 m m ( 0 . 3 9 0 i n . ) o n e s i n i n c r e a s i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s ( s e e F i g u r e 6 . 7 ) . R e f e r e n c e 1 5 h a s c o n d u c t e d a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t ( s e e F i g u r e s 6 . 8 a n d 6 . 9 ) . T w o t y p e s o f c a r b o n ' f i b e r w e r e i n c o r p o r a t e d i n t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x o f R e f e r e n c e 1 5 : ( a ) l o w - m o d u l u s , l o w - t e n s i l e s t r e n g t h , p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r s w i t h r e l a t i v e l y l a r g e d i a m e t e r s ; a n d ( b ) h i g h - m o d u l u s , h i g h - t e n s i l e s t r e n g t h p a n - b a s e d c a r b o n f i b e r s w i t h r e l a t i v e l y s m a l l d i a m e t e r s . T h r e e d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s w e r e u s e d i n t h i s r e f e r e n c e : a ) c u r i n g i n a i r , b ) a u t o c l a v e c u r i n g , a n d c ) a u t o c l a v e c u r i n g f o l l o w e d b y p o l y m e r i m p r e g n a t i o n . C a r b o n f i b e r s , a s e x p e c t e d , h a d r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . P i t c h - b a s e d f i b e r s w e r e m o r e e f f e c t i v e i n i m p r o v i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e ; p r o b a b l y d u e t o t h e h i g h e r a s p e c t r a t i o o f p a n - b a s e d f i b e r s a n d t h e c o n s e q u e n t d a m a g e t o w o r k a b i l i t y . I n t h e t e s t r e s u l t s o f R e f e r e n c e 1 5 , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t g e n e r a l l y r e s u l t e d i n a n i n c r e a s e i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s a s f a r a s t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n 5 2 0 1 6 1 2 F i g u r e 6 . 6 : 1 5 8 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h _ ( K a i ) S i l i c a f u m e / c e m e n t - I . 0 . 2 A . 0 3 - 0 0 ‘ . 0 . 5 b r o k e n f l e x u r a l s p e c i m e n s 1 . 6 x 1 . 6 x 4 i n w e r e u s e d f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t I I I I I 0 2 4 6 8 1 0 S u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t ( 2 ) E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 3 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , f i b e r l e n g t h - 0 . 3 9 i n - 1 0 m m , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . 1 ' i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . C o m p r e s s t r e n g t h i ( v K e s S ) i 2 0 . - 1 5 9 1 2 " 8 ‘ 1 I . c — - F i b e r l e n g t h , L f ( i n ) . 0 . 1 2 A 0 . 3 9 0 o r I I 1 r 7 1 2 3 4 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V £ ( Z ) F i g u r e 6 . 7 : E f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n t h e “ “ 1 3 “ ” 1 “ S t u n g “ ° f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . ] ‘ 2 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / c e m e n t - 0 . 4 , s u p e r p l a s t i c i z e r / c e m e n t - 0 . 0 6 , m i x i n g i n m o r t a r m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n a n d a u t o c l a v e c u r i n g ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K 3 1 - 6 . 9 M P a n I A u t o c l a v e C u r i n g + P o l y m e r I m p r e g n a t i o n 0 l 2 3 4 5 2 0 — . 1 6 " 1 2 " 1 6 0 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 0 . A i r C u r i n g A A A u t o c l a v e C u r i n g O A D p i t c h - b a s e d f i b e r 0 A I p a n - b a s e d f i b e r I l I T I F i b e r V o l u m e V t “ ) F i g u r e 6 . 8 : E f f e c t s o f f i b e r t y p e a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 5 ( w a t e r / c e m e n t - 0 . 4 7 , s i l i c a p o w d e r / c e m e n t - 0 . 2 5 , m e t h y l c e l l u l o s e / c e m e n t - 0 . 0 1 , f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n - 3 m m , m i x i n g i n O m n i m i x e r , c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) . l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a i C v u e r o g M n e e i v v d C C u u u l r r u i i s n n g g o f E l a s t i c i + P o l y m e r t I y m ( 1 0 0 0 K p r e g n a t i ) a o i n a a 4 C o m p 0 L [ A A A u r u i e t t s r o o s c c A O D O 0 A A D I p p l l i a t n c - h b e - a b s a e s d e r d f i f b i e b r F i b e r V o l u m e F r a c t i o c ( c o w e m a l p t l r e u e r l c / s o e s s i m e v e / e n c m o - d e m t e u 4 . u n 0 l t s 7 - , 0 0 f s . e l 1 l i , i 0 a c s a t f y e p i i o c b w i e d t r o r l f / e c n o r n c e g m t a e h b t - n - 0 . f 0 1 . 2 n i . 2 i r V b e 5 i , n a ) e m c - e t m e 3 n h m t y m . l , 1 6 1 F i g u r e 6 . 9 : E f f e c t s o f f i b e r t y p e a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t 1 } ; m i x i n g i n O m n i m i x e r a n d c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 R s i - 6 . 9 M P a . T h e t r e n d s o b s e r v e d i n F i g u r e 6 . 1 1 r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f f i b e r 1 6 2 d a m a g i n g e f f e c t o f f i b e r s o n w o r k a b i l i t y s e e m e d t o d o m i n a t e t h e b e h a v i o r a n d d a m a g e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . P o l y m e r i m p r e g n a t i o n a f t e r a u t o c l a v i n g w a s ( a c c o r d i n g t o R e f e r e n c e 1 5 ) t h e b e s t c u r i n g c o n d i t i o n f o r p r o d u c i n g c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h h i g h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s . A u t o c l a v e c u r i n g w a s t h e n e x t e f f e c t i v e c a r i n g p r o c e d u r e a n d t h e l e a s t e f f e c t i v e o n e w a s a i r c u r i n g ( s e e F i g u r e 6 . 8 ) . F i g u r e 6 . 9 i n d i c a t e s t h a t c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s c u r e d i n a i r a n d a u t o c a l v e h a v e l o w e r c o m p r e s s i v e m o d u l i o f e l a s t i c i t y w h e n . c o m p a r e d w i t h p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . I n t h e c a s e o f c o m p o s i t e s t h a t w e r e p o l y m e r i m p r e g n a t e d a f t e r a t u o c l a v i n g , n o c o n s i s t e n t e f f e c t s o f p i t c h - b a s e d c a r b o n f i b e r s o n c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y w e r e d e t e c t e d . H i g h v o l u m e f r a c t i o n s o f p a n 4 b a s e d c a r b o n f i b e r s , h o w e v e r , w e r e o b s e r v e d t o i n c r e a s e t h e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f t h e m a t e r i a l . u n d e r c o m p r e s s i o n ( s e e F i g u r e 6 . 9 ) . T h e i n c r e a s e i n s p e c i m e n s i z e t e n d s t o i n c r e a s e t h e p o s s i b i l i t y o f f l a w s o c c u r i n g i n t h e s p e c i m e n c r o s s - s e c t i o n . H e n c e , t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i s a d v e r s e l y i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n s p e c i m e n s i z e ( s e e F i g u r e 6 . 1 0 ) . 1 6 6 . 3 . E x p e r i m e n t a l R e s u l t s F i g u r e s 6 . l l . a t h r o u g h 6 . l l . d s h o w t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r t h e p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d t h e m a t r i c e s r e i n f o r c e d w i t h 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) f i b e r s , 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f l / l 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , r e s p e c t i v e l y , c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) S p e c i m e n d i a m e t e r x h e i g h t ( i n ) 1 6 3 2 0 - 1 6 ' - 1 2 - 8 — 4 — . K I K E 0 o l I l _ _ ‘ 2 x 4 4 x 8 6 x 1 2 F i g u r e 6 . 1 0 : E f f e c t s o f s p e c i m e n g e o m e t r y o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 1 6 l K s i - 6 . 9 M P a 1 6 4 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 8 — . C u r i n g W a t e r C o n d i t i o n s A i r - - - - - - 6 " H o t w a t e r _ e _ — — S t e a m — o . . _ . M o i s t u r e 4 - 1 A . / \ . 2 " . 4 . . . \ - - ’ / ‘ \ - “ I b " ‘ F § \ . . . \ . . ' - ' e s ’ x ‘ . - ° I I I I 0 1 2 3 4 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) a . P l a i n c e m e n t i t i o u s m a t r i x F i g u r e 6 . 1 1 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s ( w a t e r / b i n d e r - 0 . 3 , s i l i c a f u m e / b i n d e r - 0 . 2 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r / b i n d e r - 0 . 0 3 2 , m i x i n g b y m o r t a r m i x e r a n d c y l i n d e r i c a l s p e c i m e n s 2 x 4 i n ) l i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a F i g u r e 6 . 1 1 : ( c o n t i n u e d ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 8 - I l ' \ - - — — - - - - R a t e r , 0 e . . . . . . A 1 : C u r i n g C o n d i t i o n s 6 “ , \ . — - e — — H o t W a t e r I \ — — e e — - S t e a m . . . . . . . . . . . . . . . m o i s t u r e C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) b F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 3 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 8 i n 6 - I C I c C u o r n i d n i g t i o n s - . . - . - . . - - - . . . . . . . . A H M i o o r c i r ' s w t g u t r g e - . m u “ c F i b e r v o l u m e f r a c t i o F i g n u ( V f ) r e 6 . 1 - 1 3 % , : ( c o f n i t b i e n r u l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 5 i n e d ) 1 6 6 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 8 - 4 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) _ . . — e e 0 0 9 0 0 ' S M t e a i ' m t u r e d . F i b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) - 5 % , f i b e r l e n g t h ( L f ) - 1 / 1 6 i n C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 1 6 7 — ' — ' H o t W a t e r C u r i n g C o n d i t i o n s C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) F i g u r e 6 . 1 1 : ( c o n t i n u e d ) a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s i n c o m p r e s s i o n w h e n c o m p a r e d w i t h p l a i n a n d 1 6 8 r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e a r e d e s c r i b e d b e l o w . I n q u a n t i f y i n g t h e c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f c a r b o n . f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t , t h e t o t a l a r e a u n d e r n e a t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e u p t o a s t r a i n o f 0 . 0 3 w a s d e f i n e d a s e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . F i g u r e 6 . 1 2 p r e s e n t s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p l a i n a n d c a r b o n f i b e r c e m e n t s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . E x c e p t f o r t h e h o t w a t e r - c u r e d s p e c i m e n s , t h e o t h e r s s h o w r e l a t i v e l y l o w c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s ( i n t h e o r d e r o f 1 , 5 0 0 p s i - 1 0 . 3 M P a ) , w i t h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t h a v i n g n o c o n s i s t e n t e f f e c t s o n s t r e n g t h . H o t w a t e r c u r i n g , h o w e v e r , r e s u l t s i n s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f p l a i n a n d e s p e c i a l l y f i b r o u s m a t e r i a l s . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e p l a i n m a t r i x c u r e d i n h o t w a t e r i s a b o u t 3 , 5 0 0 p s i ( 2 4 . 1 M P a ) , a n d t h o s e o f f i b r o u s m i x e s a r e o f t h e o r d e r o f 6 , 5 0 0 p s i ( 4 4 . 8 M P a ) . D i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t c o n d i t i o n s ( 3 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 8 i n . f i b e r s , a n d 3 % a n d 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f 1 / 1 6 i n . f i b e r s ) p r o d u c e c o m p a r a b l e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s i n a l l c u r i n g c o n d i t i o n s , a n d r e s u l t i n . s p e c i f i c a l l y h i g h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a f t e r h o t w a t e r c u r i n g . F i g u r e 6 . 1 3 s u m m a r i z e s t h e t e s t r e s u l t s o n c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n . c a p a c i t y o f p l a i n a n d f i b r o u s m a t e r i a l s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . I n a l l c u r i n g c o n d i t i o n s , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t s i n i m p r o v e d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t r i c e s . I n s p i t e o f s o m e l o s s o f t h e p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n a t r e l a t i v e l y l a r g e s t r a i n s r e s u l t i n g f r o m h o t w a t e r c u r i n g , t h e e x p e r i m e n t a l i n f o r m a t i o n p r e s e n t e d i n F i g u r e 6 . 1 3 i n d i c a t e s t h a t t h e ' p l a i n a n d . e s p e c i a l l y f i b r o u s s p e c i m e n s c u r e d i n h o t w a t e r , m a i n l y d u e t o t h e i r s u p e r i o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , p r o v i d e d e s i r a b l e t o t a l e n e r g y 8 j C o m p r e s s v i ( e m ) S t r e n g t h l l l l \ l \ \ \ \ l l \ l \ l , \ I \ I I \ I \ I \ I \ I \ I \ I I \ w a t e r A i r H o t R a t e r S t e a m M o i s t u r e 1 6 9 a s c i o v i a ) 6 - ¢ ; _ _ / : Z ; . _ 4 : \ . C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 6 . 1 2 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c u r e d i n d i f f e r e n t . c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . U U 0 d . 3 A 3 " I I I ] I I I I I I I I I I I I I I I I I I W I I I I I I I l I I \ I \ I I \ 1 I 1 I \ 1 \ I “ I \ I S t e a m M o i s t u r e ] l L l l f l _ l J 0 . 6 " 0 . 4 " 0 . 2 ' - 1 7 0 C o m p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y fl ( K i p . i n / i n ) [ V J - R 1 / 8 - L f ( i n ) e : ‘ a ' . \ u ' . ' e . ' e . . 0 e . . w a t t ! A 1 : I ! 0 r e s : I n I ' 1 C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 6 . 1 3 : E f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 l b . i n / i n 3 - 0 . 0 0 7 N . n u n / M 3 1 7 1 f i b r o u s m a t e r i a l s c u r e d i n o t h e r c o n d i t i o n s . T h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f a c t i o n s e e m t o i m p r o v e t h e e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . 6 . 4 . § u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s T h e c o n s t i t u t i v e b e h a v i o r , s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l u n d e r c o m p r e s s i o n w e r e s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y . T h e g e n e r a t e d t e s t d a t a i n d i c a t e d t h a t : a ) U n l e s s t h e c u r i n g c o n d i t i o n o f c a r b o n f i b e r r i n c e d c e m e n t i s o p t i m i z e d , t h e r e i s p r a c t i c a l l y n o i n c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d o n l y m o d e r a t e i m p r o v e m e n t s i n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s u n d e r c o m p r e s s i o n r e s u l t i n g f r o m c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . D e s i r a b l e c u r i n g c o n d i t i o n s f o r c a r b o n f i b e r c e m e n t g e n e r a l l y i n v o l v e h o t a n d h u m i d e n v i r o n m e n t s ( h o t w a t e r o r h i g h p r e s s u r e s t e a m ) ; a n d - b ) H o t w a t e r c u r i n g p r o d u c e s s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f p l a i n a n d e s p e c i a l l y c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . C a r b o n f i b e r s , a t d i f f e r e n t l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y ( 3 % o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) , a n d 3 % a n d 5 % o f l / l 6 i n . ( 1 . 5 m m ) ) , p r o d u c e c o m p a r a b l e e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t , b u t t h e i n c r e a s e i n l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s s e e m s t o i m p r o v e t h e i r e f f i c i e n c y i n e n h a n c i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f h o t w a t e r - c u r e d c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s u b j e c t e d t o c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . d c u o e m t o p r e s s a i i m v p e c s t t , r w h e r e n g t h e w a o s u a m o r e l d p e r f o r r m e s b i l i e t t e t e r n . m I a m t p e a r c i a l t r e s w i i s t t h a m u c n c e i h s l e s a k e s y C H A P T E R 7 I M P A C T R E S I S T A N C E 7 . 1 . I n t r o d u c t i o n I n m a n y f i e l d a p p l i c a t i o n s , c o n c r e t e m a t e r i a l s a r e s u b j e c t e d 3 3 , 3 4 t o i m p a c t l o a d i n g . F o r e x a m p l e , i n h y d r a u l i c s t r u c t u r e s , t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e p r e s s u r e s c a u s e d b y i m p l o d i n g a i r b u b b l e s i n h i g h - v e l o c i t y f l o w s i n d u c e r e p e a t e d i m p a c t s . L i k e w i s e , t h e c o n t i n u o u s p o u n d i n g o f c o b b l e s , b o u l d e r s , a n d o t h e r d e b r i e s i n t h e s t i l l i n g b a s i n g o f d a m s a n d a l o n g t h e i n v e r t o f l a r g e b o x c u l v e r t s w o u l d p r o d u c e a n i m p a c t l o a d i n g c o n d i t i o n w h i c h c a n e a s i l y c a u s e e r o s i o n i n b r i t t l e m a t e r i a l . I m p a c t l o a d i n g i s a l s o a n i m p o r t a n t d e s i g n f a c t o r i n a i r f i e l d p a v e m e n t s w h i c h s h o u l d s u r v i v e r e p e a t e d l a n d i n g o f a i r p l a i n s , a n d i n p r o t e c t i v e s t r u c t u r e s u n d e r t h e i m p a c t o f p r o j e c t i l e s a n d b l a s t s . 3 3 O v e r l a y s . a n d i n d u s t r i a l f l o o r s y s t e m s s h o u l d a l s o b e c a p a b l e o f r e s i s t i n g t h e i m p a c t l o a d s c a u s e d b y t h e f a l l i n g o b j e c t s . I m p a c t r e s i s t a n c e a s a m e a s u r e o f t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f m a t e r i a l i s a l s o a n i m p o r t a n t p r o p e r t y i n a p p l i c a t i o n s s u c h a s s i e s m i c r e s i s t a n t s t r u c t u r e s w h e r e e n e r g y a b s o r p t i o n i s a p r i m e d e s i g n c r i t e r i o n . 3 3 ' 4 1 U n d e r r e p e a t e d i m p a c t l o a d s , t o u g h m a t e r i a l s c a p a b l e o f a b s o r b i n g t h e i m p a c t e n e r g y i n p u t a r e p r e f e r r e d o v e r a h a r d e r b u t m o r e b r i t t l e m a t e r i a l . U n d e r t h e i m p a c t l o a d i n g c o n d i t i o n s , t h e f u l l r e l i a n c e o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a s t h e o n l y d e s i g n c r i t e r i o n i s i n s u f f i c i e n t , a n d i n s o m e c a s e s m i s l e a d i n g . 3 3 A m a t e r i a l w i t h h i g h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h c a n b e v e r y b r i t t l e a n d m a y e a s i l y f a i l 1 7 2 a e p f p f l e c i c a t i o i v e i n n o a f r r e h o r t o n c f m f i i c b r e o r c s r . a c k s h T , e a s n e d f i b e r i n d e l s a r . a n d s t i r i n m F m o g l t y h o r i e n t e d e p r o p a g a t i p a c t l o a d i n g , 1 2 ’ s r t 3 r m a n c e u n d e i m e n ) p e r f o e c s t p o a i r n e g 1 . h a e ) i , r y t 3 3 » 3 4 . 4 3 . 4 4 e i n f o r c e d o r s t i b e r e c l e o n c f r c b o o n n c r e t e ( F i g f i b e r s , u w r i e 7 . t h 0 t o 5 0 f o r p l a i n e t e . C a r 1 7 3 d e s i g n f a c t o r i n a p p l i c a t i o n s i n v o l v i n g i m p a c t l o a d i n g , f o r t h e s e l e c t i o n o f t h e o p t i m u m m a t e r i a l . P l a i n c o n c r e t e i s a r a t h e r b r i t t l e m a t e r i a l , a n d i t m i g h t b e s h a t t e r e d s o o n u n d e r i m p a c t l o a d i n g c o n d i t i o n s . ] ” 2 T h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e c a n b e i m p r o v e d c o n s i d e r a b l y t h r o u g h t h e t h e f o r m a t i o n o f m a c r o c r a c k s a n d m a j o r i n t e r n a l d a m a g e u n d e r r e p e a t e d i m p a c t s . 1 . 3 ’ 3 5 ' 4 2 S m a l l - d i a m e t e r f i b e r s ( s u c h a s c a r b o n ) a r e e x p e c t e d t o b e m o r e e f f e c t i v e t h a n t h e l a r g e - d i a m e t e r o n e s ( s u c h a s s t e e l ) i n a r r e s t i n g t h e m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n ( s e e F i g u r e 1 . 3 ) a n d i n i m p r o v i n g t h e t o u g h n e s s a n d i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . 3 3 T h e s t u d y r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r h a s b e e n c o n c e r n e d w i t h t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f i b e r p a r a m e t e r s ( v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h ) a n d c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a r e i n v e s t i g a t e d . A c o m p a r a t i v e s t u d y i s a l s o p e r f o r m e d o n t h e e f f e c t i v e n e s s o f d i f f e r e n t f i b e r t y p e s , i n c l u d i n g c a r b o n f i b e r s , i n i m p r o v i n g c o n c r e t e 7 . 2 . W F i b e r r e i n f o r c e m e n t i s e s p e c i a l l y e f f e c t i v e i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a 1 5 1 2 ’ 3 3 ' u ‘ ( a s m e a s u r e d b y t h e n u m b e r o f d r a p s o f a l O - l b h a m m e r o n t o a s t e e l b a l l r e s t i n g o n a s t a n d a r d t e s t s p e c i m e n , n e e d e d f o r c r a c k i n g a n d f a i l u r e o f t h e 2 9 , 3 4 t h e n u m b e r o f b l o w s t o f a i l u r e i s t y p i c a l l y s e v e r a l h u n d r e d s c o m p a r e d 3 3 , 4 3 F i g u r e 7 . 1 : E c f e f m e e c n t t i t o i f o u f s i b m e r a t r i r c e e i n s . ] f ' o 2 r ’ c 4 e 3 m e l n t i n n o - i 5 2 m p a c t r e s i s t a n c e o f . 4 m m 1 7 4 N o . o f b l o w s N o . o f b l o w s h o o k e d “ “ 1 f i b e r c a r b o n f i b e r l e n g t h - 0 . 1 2 i n g / d . 1 0 0 c u r i n g i n a u t o c l a v e 5 , 0 0 0 A _ _ _ m o r e t h a n 3 0 0 0 _ _ b l o w s 1 1 ‘ 5 0 0 - - - - — : : = . . . _ 5 0 0 " - - - - - - 3 . 3 . . 1 ‘ ” : I I I . . , £ 2 2 . ; . _ - - - d - - — — 5 0 — - - - - 3 2 . ; — - 1 . . ; ‘ . ‘ - s o . : : ' i ’ 1 ' : q . - r m . ' r . ' l " I I I - - a . - — a — a n . n - - 5 — e - “ 5 ; - - § . ‘ _ . S - ' ' - - — — — u — I - ‘ _ . ' . - 3 ’ 1 ' 3 9 % . ! 1 1 . 5 1 _ [ 1 1 1 1 ' 2 ‘ £ 1 2 : 1 1 . 9 2 . 5 0 1 3 5 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n F i b e r V 0 1 1 1 ” F r a c t i o n v f ( x ) v i a ) a . S t e e l f i b e r C o n c r e t e b . C a r b o n f i b e r c e m e n t . n u m b e r o f b l o w s f r o m t h i s s t a n d a r d l O - l b m a s s , d r o p p i n g f r o m a n 1 7 5 r e l a t i v e l y s m a l l d i a m e t e r a n d c o n s e q u e n t l y c l o s e s p a c i n g a t a s p e c i f i c v o l u m e f r a c t i o n , a r e e v e n m o r e e f f i c i e n t t h a n s t e e l f i b e r s i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s ( F i g u r e 7 . 1 . b , n o t i n g t h a t t h e t e s t o n c a r b o n f i b e r c e m e n t w a s s t o p p e d a f t e r a m a x i m u m o f 3 0 0 0 b l o w s ) . 1 2 T h e h i g h e f f i c i e n c y o f c a r b o n f i b e r s i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s c a n a b e i l l u s t r a t e d b y t h e i r r e l a t i v e l y c l o s e s p a c i n g w h i c h i s e s s e n t i a l i n a r r e s t i n g t h e m i c r o c r a c k s , 3 l n o t h i n g t h a t t h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s u n d e r r e p e a t e d i m p a c t l o a d s i s t h e f a c t o r e n v e n t u a l l y l e a d i n g t o c r a c k i n g a n d f a i l u r e o f t h e m a t e r i a l . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t i n s p i t e o f t h e f a c t t h a t i n m a n y f i e l d a p p l i c a t i o n s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i m p a c t r e s i s t a n c e i s a k e y d e s i g n f a c t o r , t h e r e a r e l i m i t e d e x p e r i m e n t a l d a t a a v a i l a b l e i n t h e l i t e r a t u r e o n t h i s i m p o r t a n t p r o p e r t y o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 7 . 3 . T e d u T h e i m p a c t t e s t e q u i p m e n t i s s h o w n i n F i g u r e 7 . 2 . 4 5 A 6 - i n . d i a m e t e r a n d 2 l / 2 - i n . h i g h c y l i n d r i c a l s p e c i m e n i s m a d e b y c a s t i n g a n d e x t e r n a l v i b r a t i o n . A f t e r c u r i n g , t h e s p e c i m e n i s p l a c e d o n ‘ t h e b a s e p l a t e o f t h e i m p a c t t e s t d e v i c e ( s e e F i g u r e 7 . 2 ) . T h e s p e c i m e n s h o u l d b e f r e e t o m o v e h o r i z o n t a l l y 3 / 1 6 i n . o f f c e n t e r b e f o r e t o u c h i n g t h e f o u r p o s i t i o n i n g l e g s . A b r a c k e t i s p l a c e d o v e r t h e t e s t s p e c i m e n w h i c h c o n t a i n s a c y l i n d r i c a l s l e e v e t h a t p o s i t i o n s a h a r d e n e d 2 l / 2 - i n . d i a m e t e r s t e e l b a l l o n t h e t o p o f t h e t e s t s p e c i m e n . T h e b a l l i s f r e e t o m o v e v e r t i c a l l y w i t h i n t h e s l e e v e a n d A S T M B - 1 5 5 7 d r o p h a m m e r ( m o d i f i e d c o m p a c c t i o n h a m m e r , w h i c h i s u s e d f o r c o m p a c t i o n o f a s p h a l t a n d s o i l s a m p l e s ) i s t h e n p l a c e d o n t o p o f t h e b a l l . T h e a m n t u ' I 0 L a ! A ' m L a c m m a e ! t a s t a t - F i g u r e 7 . 2 : I m p a c t t e s t d e v i c e . 1 7 6 m m m m . s e u . W C ' I I I " 7 0 ‘ 7 “ ! ” “ L L A N D ' I . ‘ , 1 " m u m s a s } t r i a d - 5 ‘ m a x i : D R I L L A I D T A D ' 0 . { ' 0 s e e n s o u l w a s o n : 8 s c a r s s u m A l “ I ! “ 7 0 . 8 L I “ I “ ? I ! I I I ! 0 ' “ L 0 S H I T I I « a s I n c a s e s “ . ' s ' m e n . 1 7 7 e s t a b l i s h e d h e i g h t o f 1 8 i n . , r e q u i r e d t o c a u s e t h e f i r s t v i s i b l e c r a c k a n d t o c a u s e u l t i m a t e f a i l u r e a r e r e c o r d e d . B y d e f i n i t i o n , u l t i m a t e f a i l u r e o c c u r s w h e n s u f f i c i e n t i m p a c t e n e r g y h a s b e e n s u p p l i e d t o s p r e a d c r a c k s s u f f i c i e n t l y s o t h a t t h r e e o f t h e f o u r s t e e l l o g s a r e t o u c h e d b y t h e t e s t s p e c i m e n . I f d e s i r e d , t h e " b l o w c o u n t " t e s t r e s u l t s c a n b e p u t i n m o r e s c i e n t i f i c t e r m i n o l o g y b y c o n v e r t i n g t h e m t o u n i t s o f e n e r g y . S i n c e t h e d r o p h a m m e r w e i g h s 1 0 l b s a n d f a l l s 1 . 5 f t . p e r b l o w , e a c h b l o w r e p r e s e n t s 1 5 f t . - l b o f e n e r g y . T h e i m p a c t t e s t i s p o p u l a r l y u s e d t o c o m p a r e t h e r e l a t i v e m e r i t s o f d i f f e r e n t f i b e r c o n c r e t e m i x e s o r t o d e m o n s t r a t e t h e i m p r o v e d p e r f o r m a n c e o f a f i b e r m i x w h e n c o m p a r e d w i t h a c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m i x . 4 5 T h e r e i s a r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n t h e i m p a c t t e s t r e s u l t s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f ‘ s ’ l ‘ 6 I t w a s d e c i d e d i n t h i s s t u d y t h a t a m i n i m u m o f t h r e e s p e c i m e n s s h o u l d b e u s e d f o r e a c h m i x i n o r d e r t o a s s e s s a r e a s o n a b l y a c c u r a t e a v e r a g e v a l u e f o r i m p a c t r e s i s t a n c e . C o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s a r e n e e d e d i n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s , a n d c o n s e q u e n t l y t h e m i n i m u m n u m b e r o f s p e c i m e n s a n d r e j e c t i o n c r i t e r i a f o r o f f t e s t r e s u l t s . 7 - 4 - W T h e e x p e r i m e n t a l d a t a i n t e r m s o f t h e n u m b e r o f b l o w s u p t o f i r s t c r a c k a n d f a i l u r e i n t h e i m p a c t t e s t a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 7 . 1 f o r d i f f e r e n t c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t s c u r e d i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s a n d l e n g t h s a n d d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s , o n t h e a v e r a g e c r a c k i n g a n d u l t i m a t e i m p a c t s t r e n g t h s a r e d e m o n s t r a t e d i n F i g u r e 7 . 3 . u d r t C n i a t C o A W H o r i i t n i g o n e W r a t e r S t e a m M o i s t u r e V 0 5 3 3 5 3 3 0 5 3 3 0 5 5 3 0 5 3 3 0 f , , , , , , , , , , , , , , . , , , , , ( 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 ( t ) , l f . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 6 6 2 6 6 2 6 6 2 6 6 2 6 6 2 2 2 5 2 2 5 2 2 5 2 2 5 2 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 i n ) T e > 3 0 6 3 s t 3 n A c v e e 1 9 1 4 r ' s 1 0 F s 1 6 l l 2 1 6 8 1 3 1 3 t i 3 9 7 l 9 3 1 0 8 3 4 l l 3 1 1 6 7 7 l T 1 e C 1 8 4 3 r s 0 4 1 2 1 8 4 1 l 6 8 3 1 l a c t 3 2 2 4 6 7 9 7 0 3 8 3 5 l l l l 7 1 l k 2 R T e e 1 0 1 1 s s 2 1 l 3 8 1 6 0 5 1 2 4 i t 7 2 l 3 9 1 l 3 8 0 6 l 6 0 4 l 4 3 0 1 r 4 l 3 1 l 6 2 4 6 8 0 2 1 2 l 1 l 7 l a 8 9 1 5 l O 6 8 6 8 0 8 8 9 l g e T e s > 3 0 1 0 1 4 4 2 0 a n 3 e A , v e 1 9 1 6 l t ‘ 1 0 T 1 2 8 2 1 9 2 8 1 9 2 U t 5 5 5 7 0 1 1 3 0 2 2 5 3 l 6 9 2 1 R 2 s T i e 1 1 1 1 3 s s 3 1 7 1 1 1 3 1 9 3 1 3 2 8 t t 0 5 1 2 9 0 3 3 0 0 1 4 2 2 7 l 9 5 9 1 e 1 s 2 5 3 8 3 2 9 2 2 4 5 1 5 2 2 4 8 4 2 2 2 l t 0 3 3 9 5 6 9 5 4 0 5 0 0 9 3 l g g r 5 2 6 2 1 9 8 7 9 0 2 1 4 2 7 g 8 6 3 8 7 9 7 2 9 4 5 0 2 2 2 1 1 5 8 1 1 7 8 T a b l e 7 . 1 : I m p a c t T e s t R e s u l t s 1 7 9 , r - fi 1 / 8 - L f ( i m ) “ 0 ' O f 3 1 ° “ . £ 2 3 U l t i m a t e R e s i s t a n c e I W W W { i i F i r s t - C r a c k R e s i s t a n c e J - I I — . 5 5 . . . ! 5 3 0 V f ( 1 ) 1 0 . 0 0 0 “ — — — — — — — — — — — — — — — - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 5 . 0 0 0 ‘ 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I n n 1 . 0 0 0 " - - - - - - " é - ' - - - - - - - - - - - - - - - - - 5 0 0 - - - - - - - - - - - — I _ . . . . . . ‘ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I 1 0 0 _ - - - - - - - - - I - c - — - — — — — — — — — — I _ 5 0 - 1 ' - - - - - { § § 3 - - - - - - - - I n - - = _ P : 1 — 1 i — 1 / I _ . I _ . . . 1 I . h - e - _ _ a n . - c - - - e - 1 0 % _ L _ _ . _ I / — : 5 - % _ . . s _ _ . . - . . s _ . . . / : E . _ _ £ ; ; . . f ' 1 _ . I . , - 1 1 1 — I . . . / R a t e r A i r H o t W a t e r S t e a m M o i s t u r e C u r i n g C o n d i t i o n s F i g u r e 7 . 3 : I m p a c t r e s i s t a n c e t e s t r e s u l t s ( 1 b l o w - 1 5 l b . ’ f t i m p a c t e n e r g y ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 1 b . i n - 1 1 4 N . m 1 8 0 T h e i n d i v i d u a l t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n T a b l e 7 . l a r e i n d i c a t i v e o f t h e r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r o f i m p a c t t e s t r e s u l t s o n f i b r o u s c e m e n t , e s p e c i a l l y f o r t h e f i r s t c r a c k i m p a c t r e s i s t a n c e a n d f o r c u r i n g i n a i r . T h e a v e r a g e t r e n d s o f F i g u r e 7 . 3 . r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h o n i m p a c t t e s t d a t a , s h o w t h a t t h e i m p a c t r e s i s t a n c e i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n . T h e s i g n i f i c a n c e o f t h e s e e f f e c t s i s , h o w e v e r , s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e c u r i n g c o n d i t i o n . A t 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e i n c r e a s e i n f i b e r l e n g t h f r o m 0 . 0 6 2 5 i n . t o 0 . 1 2 5 i n . i n c r e a s e s t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t b y 1 4 0 % , 4 8 0 % , 1 8 0 % , a n d 1 5 0 % f o r c u r i n g i n a i r , w a t e r , h o t w a t e r , a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , r e s p e c t i v e l y , a n d d e c r e a s e s t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e b y 6 0 % i n t h e c a s e o f s t e a m c u r i n g . T h i s d a t a i n d i c a t e s t h a t t h e f i b e r l e n g t h i s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n d e c i d i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f w a t e r - c u r e d m a t e r i a l s . I n t h e c a s e o f h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g , h o w e v e r , _ t h e l e n g t h i s a l e s s s i g n i f i c a n t f a c t o r ( c o n s i d e r i n g b o t h t h e a v e r a g e v a l u e s a n d t h e v a r i a t i o n s i n t e s t r e s u l t s ) i n d e c i d i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e , a t l e a s t a t t h e 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . I t m i g h t b e h y p o t h e s i z e d t h a t t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s i m p r o v e t h e f i b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d t o a n e x t e n t t h a t b o t h t h e 0 . 6 2 5 i n . a n d 0 . 1 2 5 i n . f i b e r s d o m i n a n t l y f r a c t u r e a t c r a c k s r a t h e r t h a n b e i n g p u l l e d o u t . I n o t h e r c u r i n g c o n d i t i o n s , h o w e v e r , t h e i n t e r f a c i a l b o n d l e v e l s e e m s t o e n c o u r a g e t h e p u l l - o u t o f 0 . 0 6 2 5 i n . f i b e r s , w h i l e t h e 0 . 1 2 5 i n . f i b e r s m i g h t s t i l l h a v e s u f f i c i e n t e m b e d m e n t l e n g t h t o f r a c t u r e . 1 8 1 T h e i n c r e a s e i n v o l u m e f r a c t i o n o f 0 . 0 6 2 5 i n . f i b e r s f r o m 3 % t o 5 % t e n d s t o i n c r e a s e t h e a v e r a g e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s b y 1 2 0 % , 7 0 % , 2 7 0 0 % , 2 3 0 0 % , a n d 6 0 % , f o r c u r i n g i n a i r , w a t e r , h o t w a t e r , s t e a m , a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , r e s p e c t i v e l y . T h e t r e m e n d o u s e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n f o r t h e h o t w a t e r - a n d s t e a m - c u r e d c o m p o s i t e s m i g h t b e a t t r i b u t e d t o t h e e f f e c t s o f c u r i n g c o n d i t i o n s o n t h e m a t r i x m i c r o s t r u c t u r e a n d c a r b o n f i b e r - m a t r i x i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s . I n r e g a r d t o t h e e f f e c t s o f c u r i n g c o n d i t i o n s o n i m p a c t r e s i s t a n c e , t h e d a t a p r e s e n t e d i n T a b l e 7 . 1 a n d F i g u r e 7 . 3 i n d i c a t e t h a t t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s , a t t h e h i g h e r 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , a r e h i g h l y s u p e r i o r t o t h e a i r , w a t e r , a n d m o i s t c u r i n g c o n d i t i o n s i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s . A n o t h e r e f f e c t o f t h e c u r i n g c o n d i t i o n i s i n r e g a r d t o t h e r a t i o o f t h e f i r s t c r a c k t o u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e . T h i s r a t i o i s 0 . 6 8 , 0 . 5 3 , 0 . 9 5 , 0 . 7 3 , a n d 0 . 5 6 f o r c u r i n g i n a i r , w a t e r , h o t w a t e r , s t e a m , a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , r e s p e c t i v e l y . H o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s s e e m t o r e d u c e t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e i m p a c t s t r e n g t h s . T h i s c o u l d b e d u e t o t h e b e t t e r i n t e r f a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e s e c u r i n g c o n d i t i o n s , w h i c h e n c o u r a g e t h e f r a c t u r e o f f i b e r s a t c r a c k s a n d t h u s e l i m i n a t e s t h e p o s t - c r a c k i n g r e s i s t a n c e a s s o c i a t e d w i t h t h e p u l l - o u t o f f i b e r s . N o n - f i b r o u s c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s a r e g e n e r a l l y b r i t t l e w i t h a v e r y l o w i m p a c t r e s i s t a n c e . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e i n t h e c a s e o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x u s e d i n t h i s s t u d y w h i c h , d u e t o t h e l a c k o f a g g r e g a t e s , c o u l d b e d a m a g e d b y s h r i n k a g e c r a c k i n g w h e n u s e d w i t h o u t f i b e r s . 1 8 2 7 . 5 . d C n T h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s a p r i m e p r o p e r t y o f t h e m a t e r i a l i n a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g t h e h y d r a u l i c s t r u c t u r e s , a i r f i e l d p a v e m e n t s , o v e r l a y s a n d i n d u s t r i a l f l o o r s y s t e m s , p r o t e c t i v e s h e l t e r s , a n d s i e s m i c - r e s i s t a n t s t r u c t u r e s . I m p a c t r e s i s t a n c e i s a m e a s u r e o f t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l , a n d i t c a n a b e i m p r o v e d c o n s i d e r a b l y b y f i b e r r e i n f o r c e m e n t . F i b e r s a r r e s t t h e m i c r o c r a c k s p r o p a g a t i o n a n d c o n s e q u e n t l y c o n t r o l t h e d a m a g e t o c o n c r e t e u n d e r r e p e a t e d i m p a c t l o a d s . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e f o r t h e s m a l l e r - d i a m e t e r f i b e r s w h i c h a r e c l o s e l y s p a c e d a t a s p e c i f i c v o l u m e f r a c t i o n ; a n d a r e t h u s m o r e e f f e c t i v e i n a r r e s t i n g t h e m i c r o c r a c k s . A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y o n t h e e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n f i b e r s i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f - c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h i s s t u d y q u a n t i f i e d t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h a s w e l l a s t h e c u r i n g p r o c e d u r e o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s h a v e a w a t e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 2 5 , a s i l i c a f u m e - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 2 3 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 0 8 . T h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h s c o n s i d e r e d w e r e 5 % a n d 3 % o f 0 . 0 6 2 5 i n . f i b e r s , a n d 3 % o f 0 . 1 2 5 i n . f i b e r s . A c o n t r o l p l a i n m a t r i x w a s a l s o t e s t e d w i t h o u t f i b e r s . T h e m a t e r i a l s w e r e e i t h e r a i r - c u r e d , m o i s t - c u r e d , s t e a m - c u r e d , o r c u r e d i n w a t e r a t a m b i e n t a n d a l s o h i g h t e m p e r a t u r e s . T h e i m p a c t t e s t b a s i c a l l y c o n s i s t e d o f t h e a p p l i c a t i o n o f r e p e a t e d b l o w s o f a s t a n d a r d m a s s f r o m a s p e c i f i c h e i g h t t o a s t a n d a r d b a l l p o s i t i o n e d o n a 6 i n . d i a m e t e r x 2 1 / 2 i n . h i g h c y l i n d e r s p e c i m e n , a c c o r d i n g t o A S T M B - 1 5 5 7 . T h e n u m b e r o f b l o w s r e q u i r e d f o r t h e a p p e a r a n c e o f t h e f i r s t v i s i b l e c r a c k a n d u l t i m a t e f a i l u r e a r e c o n t r i b u t i n g t o t h e h i g h e f f i c i e n c y o f c a r b o n f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e 1 8 3 d e f i n e d a s t h e f i r s t - c r a c k a n d . u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e s o f t h e f i b r o u s c o n c r e t e . T h e i m p a c t t e s t d a t a c a n b e r e p r e s e n t e d e i t h e r b y t h e n u m b e r o f b l o w s o r b y t h e e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s e b l o w s . T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e d t h a t , i n s p i t e o f t h e r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n r e s u l t s , t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s t e n d s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e c u r i n g c o n d i t i o n h e a v i l y i n f l u e n c e d t h e e f f e c t s o f f i b e r v a r i a b l e s . A T 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e i n c r e a s e i n l e n g t h f r o m 0 . 0 6 2 5 i n . t o 0 . 1 2 5 i n . i n c r e a s e d t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e b y a b o u t 1 5 0 % f o r c u r i n g i n a i r , h o t w a t e r , a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , a n d b y a b o u t 5 0 0 % f o r c u r i n g i n w a t e r , w h i l e r e d u c e d t h e i m p a c t r e s i s t a n c e b y 6 0 % i n t h e c a s e o f s t e a m c u r i n g . T h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n f r o m 3 % t o 5 % f o r t h e 0 . 0 6 2 5 i n . f i b e r s i n c r e a s e d t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s b y a b o u t 6 0 % f o r c u r i n g i n w a t e r a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , b y a b o u t 1 0 0 % f o r c u r i n g i n a i r , a n d b y a b o u t 2 5 0 0 % f o r t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e i m p a c t s t r e n g t h s w a s s m a l l e r f o r t h e c o m p o s i t e s w i t h 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . B a s i c a l l y , t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s w e r e f a r s u p e r i o r t o t h e o t h e r c u r i n g p r o c e d u r e s f o r c o m p o s i t e s w i t h 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h i s s u p e r i o r i t y w a s l e s s s i g n i f i c a n t a t 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . B a s e d o n t h e s e t e s t r e s u l t s i t m a y b e h y p o t h e s i z e d t h a t t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s l e a d t o m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e i n t e r f a c i a l f i b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s , a n d a l s o p r o d u c e s o m e i m p r o v e m e n t s i n t h e m a t r i x p o r e s y s t e m . T h e s e s e e m t o b e t h e k e y f a c t o r s 1 8 4 i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n s t e a m a n d h o t w a t e r . C H A P T E R 8 S U M M A R Y A N D C O N C L U S I O N S 8 - 1 - g e n i t a l A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d o n m i x p r o p o r t i o n i n g , m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s , a n d f r e s h a n d ‘ h a r d e n e d . m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s . T h e s t u d y w a s p e r f o r m e d i n t w o s t a g e s . T h e f i r s t s t a g e w a s c o n c e r n e d w i t h c h a r a c t e r i z i n g c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s b y e s t a b l i s h i n g t h e v a r i a t i o n s i n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d a i r c u r e d h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m c h a n g i n g t h e m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s a n d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . T h e r e s u l t s o f t h i s p h a s e o f s t u d y w e r e u s e d t o d e c i d e t h e o p t i m u m m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s a n d t h e d e s i r a b l e r a n g e s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n f o r a c h i e v i n g a s a t i s f a c t o r y f r e s h m i x w o r k a b i l i t y w i t h s u p e r i o r h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h . I n t h e s e c o n d s t a g e o f t h i s r e s e a r c h , w h i c h w a s p e r f o r m e d o n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h o p t i m u m m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s a n d s e l e c t e d v a l u e s o f f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d o n t h e h a r d e n e d m a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s o b t a i n e d a f t e r t h e c u r i n g o f m a t e r i a l i n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . I n t h i s s t a g e , t h e c o m p l e t e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s , c o m p r e s s i v e a n d t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n p r o p e r t i e s , i m p a c t r e s i s t a n c e a n d s t r e n g t h d e v e l o p m e n t o f t h e m a t e r i a l w i t h t i m e w e r e i n v e s t i g a t e d . A c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f t h e a v a i l a b l e l i t e r a t u r e o n t h e s e a s p e c t s o f t h e m a t e r i a l b e h a v i o r w e r e a l s o p r e s e n t e d . A s u m m a r y o f t h e a c t i v i t i e s a n d f i n d i n g s o f d i f f e r e n t p h a s e s o f t h e i n v e s t i g a t i o n a r e g i v e n b e l o w . 1 8 5 g e n e r a l l y d e c r e a s i n g r a t e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h . T h e 1 8 6 8 . 2 . o t e s A n e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h w a s c o n d u c t e d t o e s t a b l i s h t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m i x v a r i a b l e s o n t h e p r o p e r t i e s o f f r e s h c a r b o n f i b e r c e m e n t m i x e s . T h e v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y w e r e : f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h , s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o , w a t e r - b i n d e r r a t i o , s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o , v a r i a b i l i t y i n f i b e r l e n g t h , a n d t i m e e l a p s e d a f t e r m i x i n g . T h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s i n v e s t i g a t e d w e r e : f l o w , s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y , a n d s u b j e c t i v e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . A l l m i x e s w e r e m a n u f a c t u r e d i n a c o n v e n t i o n a l m o r t a r m i x e r . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t e s t r e s u l t s . 1 . S i l i c a f u m e i s a n e f f e c t i v e a d d i t i v e i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s f o r i m p r o v i n g t h e i r a b i l i t y o f u n i f o r m l y d i s p e r s i n g f i b e r s . T h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u m e , h o w e v e r , d a m a g e s t h e f l o w a b i l i t y a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x t u r e s . 2 . I n o r d e r t o s o l v e t h e w o r k a b i l i t y p r o b l e m s c a u s e d b y t h e a d d i t i o n o f s i l i c a f u m e a n d f i b e r s i n c e m e n t i t i o u s m i x e s , i t i s e s s e n t i a l t o u s e r e l a t i v e l y l a r g e d o s a g e s o f s u p e r p l a s t i c i z e r s . T h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t u p t o a c e r t a i n l i m i t a l s o i m p r o v e s t h e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s . 3 . T h e i n c r e a s e i n w a t e r c o n t e n t i m p r o v e s t h e f l o w a b i l i t y a n d w o r k a b i l i t y o f f i b r o u s m i x e s a t a g r a d u a l l y d e c r e a s i n g r a t e , b u t d o e s n o t i n f l u e n c e f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . 4 . T h e f l o w a b i l i t y , w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y o f f r e s h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a r e a d v e r s e l y i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h i s e f f e c t i s m o r e p r o n o u n c e d f o r l o n g e r f i b e r s . 5 . T h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y t e n d s t o b e d a m a g e d a t a a c e r t a i n m i c r o s i l i c a c o n t e n t , h o w e v e r , i t s n e g a t i v e e f f e c t s o n f r e s h 1 8 7 d i s p e r s a b i l i t y o f f i b e r s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a l s o t e n d s t o b e d a m a g e d a s t h e f i b e r l e n g t h i n c r e a s e s . T h e v a r i a b i l i t y o f c a r b o n f i b e r l e n g t h g e n e r a t e s r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s i n t h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 6 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x e s w i t h s i l i c a f u m e h a v e r e l a t i v e l y s h o r t s e t t i n g t i m e s . T h e i r f l o w d r o p s b y 1 5 % a n d 3 0 % a t 4 a n d 1 0 m i n u t e s a f t e r m i x i n g , r e s p e c t i v e l y , c o m p a r e d t o t h e i r f l o w a t 1 m i n u t e a f t e r m i x i n g . 8 . 3 . d n e d M a t e a l e n t A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s a l s o c o n d u c t e d o n t h e f l e x u r a l , d i r e c t t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f a i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t : l . T h e f l e x u r a l a n d d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i n c r e a s e , a t a d e c r e a s i n g r a t e , w i t h t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s u p t o a n o p t i m u m v a l u e b e y o n d w h i c h t h i s t e n d e n c y s t a r t s t o r e v e r s e . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , h o w e v e r , d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s u p t o a p o i n t b e y o n d w h i c h t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e n d s t o e i t h e r s t a y c o n s t a n t o r i n c r e a s e a s t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n i n c r e a s e s . 2 . T h e t e n d e n c i e s i n t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h o n s t r e n g t h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h e f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s f i r s t i n c r e a s e a n d t h e n d e c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h , w h i l e t h e r e v e r s e i s t r u e f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 3 . M i c r o s i l i c a , d u e t o i t s p o s i t i v e e f f e c t s o n d i s p e r s a b i l i t y a n d b o n d i n g t o c a r b o n f i b e r s , i m p r o v e s t h e m a t e r i a l s t r e n g t h . B e y o n d t o u g h n e s s ( r e p r e s e n t i n g t h e p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ) , i n i t i a l 1 8 8 m i x w o r k a b i l i t y s t a r t t o o v e r s h a d o w t h e a d v a n t a g e s o b t a i n e d t h r o u g h t h e u s e o f m i c r o s i l i c a . 4 . T h e l i m i t e d t e s t d a t a o b t a i n e d o n t h e e f f e c t s o f w a t e r . c o n t e n t i n d i c a t e t h a t t h e s t r e n g t h o f c a r b o n f i b e r c e m e n t g e n e r a l l y i n c r e a s e s w i t h d e c r e a s i n g w a t e r - b i n d e r r a t i o . 5 . A i r - c u r e d c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t d e v e l o p s s t r e n g t h a t a h i g h e r r a t e t h a n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . A f t e r 1 2 d a y s o f a i r c u r i n g , c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t g a i n s m o r e t h a n 9 0 % o f i t s f u l l s t r e n g t h . 6 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t h a s d i s t i n c t l y h i g h f l e x u r a l - t o - c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l - t o - t e n s i l e s t r e n g t h r a t i o s . T h e r e i s g e n e r a l l y a r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n t e s t r e s u l t s o b t a i n e d f o r c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . 8 . 4 . W e : ‘ A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t . T h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d c u r i n g c o n d i t i o n o n t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e i n v e s t i g a t e d . T w o f i b e r l e n g t h s ( 1 / 8 i n . - 3 m m a n d 1 / 1 6 i n . - 1 . 5 m m ) , t w o v o l u m e f r a c t i o n s ( 3 % f o r b o t h f i b e r l e n g t h s a n d 5 % f o r s h o r t e r f i b e r s ) , a n d f i v e c u r i n g c o n d i t i o n s ( i n a i r , w a t e r , h o t w a t e r , m o i s t r o o m a n d s t e a m f o r o n e d a y a n d t h e n i n a i r ) w e r e i n c l u d e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m . T h e d e v e l o p m e n t o f f l e x u r a l s t r e n g t h i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s s u b j e c t e d t o d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s w a s a l s o s t u d i e d . T h e o v e r a l l f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y t h e u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h , t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , i n v e s t i g a t i o n g e n e r a t e d c o m p o s i t e s w i t h c o m p a r a b l e t o u g h n e s s 1 8 9 s t i f f n e s s , a n d f i r s t c r a c k - t o - u l t i m a t e s t r e n g t h r a t i o . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c a n b e d e r i v e d f r o m t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y : 1 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t s i n s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c e m e n t m a t e r i a l s . D i f f e r e n t f i b e r l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y p r o d u c e d c o m p o s i t e s w i t h c o m p a r a b l e f l e x u r a l s t r e n g t h s , e x c e p t f o r c o n d i t i o n s i n v o l v i n g h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g w h e r e f i b e r s a t 5 % v o l u m e f r a c t i o n w e r e m o r e e f f e c t i v e t h a n a t 3 % v o l u m e f r a c t i o n s i n i n c r e a s i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h . H o t w a t e r c u r i n g r e s u l t s i n c a r b o n f i b e r c e m e n t c o m p o s i t e s w i t h h i g h e s t f l e x u r a l s t r e n g t h s ( t y p i c a l l y a b o u t 4 0 % m o r e t h a n w h a t c o u l d b e o b t a i n e d b y t h e s e c o n d b e s t c u r i n g c o n d i t i o n , w h i c h i s u s u a l l y i n s t e a m ) . 2 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t s u b s t a n t i a l l y i n c r e a s e s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s . L o n g e r f i b e r s a r e m o r e e f f e c t i v e i n i n c r e a s i n g e n e r g y a b s o r p t i o n . T h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , e x c e p t f o r t h e m o i s t r o o m c u r i n g c o n d i t i o n , a l s o h a s a p o s i t i v e e f f e c t o n e n e r g y a b s o r p t i o n . S t e a m a n d e s p e c i a l l y h o t w a t e r c u r i n g d a m a g e t h e d u c t i l i t y o f t h e m a t e r i a l b e h a v i o r a n d r e d u c e i t s e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . A t 5 % v o l u m e f r a c t i o n , h o w e v e r , t h e s u p e r i o r f l e x u r a l s t r e n g t h o b t a i n e d b y h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g t e n d s t o p r o v i d e a s i g n i f i c a n t p r e - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y w h i c h , t o a c e r t a i n e x t e n t , c o m p e n s a t e s f o r t h e n e g a t i v e e f f e c t s o f s t e a m a n d h o t w a t e r c u r i n g o n p o s t - p e a k d u c t i l i t y . 3 . F i b e r r e i n f o r c e m e n t g e n e r a l l y i n c r e a s e s t h e t o u g h n e s s ( p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ) o f c e m e n t c o m p o s i t e s , n o t i n g t h a t t h e t o u g h n e s s o f p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s i s n e g l i g i b l e . D i f f e r e n t f i b e r l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s 1 9 0 c h a r a c t e r i s t i c s e x c e p t t h a t f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r h a v e p r a c t i c a l l y z e r o p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n . 4 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t h a s a s m a l l e f f e c t o n t h e i n i t i a l f l e x u r a l s t i f f n e s s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . H o t w a t e r c u r i n g p r o d u c e s p l a i n a n d f i b r o u s c e m e n t s w i t h d i s t i n c t l y h i g h f l e x u r a l s t i f f n e s s e s . 5 . T h e r a t i o o f f i r s t c r a c k t o u l t i m a t e f l e x u r a l s t r e n g t h i s 1 . 0 f o r p l a i n m a t r i c e s , a b o u t 0 . 8 f o r f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n o t h e r t h a n h o t w a t e r c o n d i t i o n s , a n d 1 . 0 f o r f i b r o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r . I t s h o u l d b e n o t e d , h o w e v e r , t h a t t h e p r e - p e a k b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r i n c r e a s i n g f l e x u r a l l o a d i n v o l v e s a g r a d u a l p r o c e s s o f m i c r o c r a c k p r o p a g a t i o n , a n d t h u s a d i s t i n c t c r a c k i n g l o a d c a n h a r d l y b e d i s t i n g u i s h e d . 6 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s g e n e r a l l y h a v e a h i g h e r r a t e o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e t h a n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e m a t e r i a l s . T h e m a t e r i a l , w h e n c u r e d i n a i r , s t e a m , w a t e r a n d m o i s t e n v i r o n m e n t s , p r a c t i c a l l y r e a c h e s i t s f u l l f l e x u r a l s t r e n g t h a t a n a g e o f 1 6 d a y s . H o t w a t e r c u r i n g t e n d s t o a c c e l e r a t e t h e d e v e l o p m e n t o f f l e x u r a l s t r e n g t h , p r o d u c i n g p r a c t i c a l l y t h e f u l l s t r e n g t h a t a n a g e o f a b o u t 7 d a y s . 8 . 5 . e a t t T h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e p e r f o r m a n c e o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t u n d e r d i r e c t t e n s i o n a r e p r e s e n t e d . T h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n , a n d c u r i n g c o n d i t i o n , o n t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s a r e d e s c r i b e d . T h e t e s t p r o g r a m c o v e r e d p l a i n c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s a n d f i b r o u s o n e s w i t h 3 % a n d 5 % o f 1 / 1 6 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , a n d w i t h 3 % 1 9 1 o f 1 / 8 i n . ( 0 . 1 2 5 m m ) f i b e r s . T h e t e s t s p e c i m e n s w e r e c u r e d i n a i r , m o i s t r o o m , w a t e r , h o t w a t e r , a n d s t e a m . T o u g h n e s s ( a r e p r e s e n t a t i v e o f p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ) i s g e n e r a l l y d e f i n e d a s t h e r a t i o o f t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( m e a s u r e d u p t o a s t r a i n o f 0 . 0 0 6 ) t o t h e e n e r g y a b s o r b e d b y t h e m a t e r i a l p r i o r t o c r a c k i n g . T h e p l a i n s p e c i m e n s w a s o b s e r v e d t o h a v e a t o u g h n e s s v a l u e c l o s e t o 1 . 0 , i n d i c a t i n g n o p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t , e x c e p t f o r c u r i n g i n h o t w a t e r , p r o v i d e s c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s w i t h a s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e d t o u g h n e s s . T h e r e s e e m s t o b e a t e n d e n c y i n t h e t o u g h n e s s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n . T h e d a m a g e t o t o u g h n e s s r e s u l t i n g f r o m h o t w a t e r c u r i n g m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e b o n d i n g o f c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s a f t e r h o t w a t e r c u r i n g t o c a r b o n f i b e r s . A n e x c e s s i v e l y s t r o n g b o n d e n c o u r a g e s t h e r u p t u r e o f f i b e r s p r i o r t o p u l l - o u t . T h i s e l i m i n a t e s t h e m a j o r f r a c t i o n o f e n e r g y a b s o r p t i o n a s s o c i a t e d w i t h f i b e r p u l l o u t . T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e d t h a t : 1 . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t s i n m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h e h i g h l y b r i t t l e n a t u r e o f f a i l u r e i n p l a i n c e m e n t m a t r i c e s i s c h a n g e d , e x c e p t a f t e r h o t w a t e r c u r i n g , t o a d e s i r a b l e p e r f o r m a n c e w i t h m a j o r p o s t - p e a k d u c t i l i t y . 2 . I m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h s o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . D i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s l e a d t o c o m p a r a b l e t e n s i l e s t r e n g t h s a f t e r a i r , w a t e r , s t e a m a n d m o i s t c u r i n g . H o t w a t e r c u r i n g , e s p e c i a l l y a t 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , r e s u l t s i n r e l a t i v e l y h i g h t e n s i l e s t r e n g t h s . h u m i d e n v i r o n m e n t s ( e . g . h o t w a t e r o r h i g h p r e s s u r e s t e a m ) ; a n d 1 9 2 3 . M a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s c a n b e a c h i e v e d b y c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . H o t w a t e r c u r i n g , t h r o u g h g e n e r a t i n g e x c e s s i v e i n t e r f a c i a l , b o n d s t r e n g t h b e t w e e n f i b e r s a n d m a t r i x a n d e l i m i n a t i n g f i b e r p u l l - o u t b e f o r e r u p t u r e , r e d u c e s t h e e f f i c i e n c y o f f i b e r s i n e n h a n c i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t m a t e r i a l s . 4 . T o u g h n e s s , a r e p r e s e n t a t i v e o f p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , i s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t w h e n c o m p a r e d t o p l a i n c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s , e x c e p t a f t e r h o t w a t e r c u r i n g . T h e i n c r e a s e i n l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s g e n e r a l l y i m p r o v e t h e t o u g h n e s s o f f i b r o u s c e m e n t s . 5 . T h e i n i t i a l t e n s i l e s t i f f n e s s o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s e e m s t o b e m o r e d e p e n d e n t o n c u r i n g c o n d i t i o n t h a n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . S t e a m a n d e s p e c i a l l y h o t w a t e r c u r i n g g i v e h i g h e r s t i f f n e s s e s f o r b o t h p l a i n a n d f i b r o u s m a t e r i a l s . 8 . 6 . C e v B e v o T h e c o n s t i t u t i v e b e h a v i o r , s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t c o m p o s i t e s u n d e r c o m p r e s s i o n w e r e s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y . T h e o v e r a l l c o n c l u s i o n s t h a t c o u l d b e d e r i v e d f r o m t h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y a r e a s f o l l o w s . a ) U n l e s s t h e c u r i n g c o n d i t i o n s o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t a r e o p t i m i z e d , t h e r e a r e p r a c t i c a l l y n o i n c r e a s e i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d o n l y m o d e r a t e i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s r e s u l t i n g f r o m c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e m e n t . D e s i r a b l e c u r i n g c o n d i t i o n s r e q u i r e h o t a n d c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 2 5 , a s i l i c a f u m e - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 2 3 , 1 9 3 b ) H o t w a t e r c u r i n g p r o d u c e s s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f p l a i n a n d e s p e c i a l l y c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m a t e r i a l s . C a r b o n f i b e r s a t d i f f e r e n t l e n g t h s a n d v o l u m e f r a c t i o n s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y ( 3 % o f 1 / 8 i n . ( 3 m m ) a n d 3 % a n d 5 % o f l / l 6 i n . ( 1 . 5 m m ) ) p r o d u c e c o m p a r a b l e i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c e m e n t , b u t t h e i n c r e a s e i n l e n g t h a n d v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s s e e m s t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f f i b e r s i n e n h a n c i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f h o t w a t e r - c u r e d c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s s u b j e c t e d t o c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . 8 . 7 . a c c T h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s a p r i m e p r o p e r t y o f t h e m a t e r i a l i n a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s , i n c l u d i n g t h e h y d r a u l i c s t r u c t u r e s , a i r f i e l d p a v e m e n t s , o v e r l a y s a n d i n d u s t r i a l f l o o r s y s t e m s , p r o t e c t i v e s h e l t e r s , a n d s i e s m i c - r e s i s t a n t s t r u c t u r e s . I m p a c t r e s i s t a n c e i s a m e a s u r e o f t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l , a n d i t c a n b e i m p r o v e d c o n s i d e r a b l y b y f i b e r r e i n f o r c e m e n t . F i b e r s a r r e s t t h e p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d c o n s e q u e n t l y c o n t r o l t h e d a m a g e t o c o n c r e t e u n d e r r e p e a t e d i m p a c t l o a d s . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e a b o u t t h e s m a l l e r - d i a m e t e r f i b e r s w h i c h a r e c l o s e l y s p a c e d a t a s p e c i f i c v o l u m e f r a c t i o n ; a n d a r e t h u s m o r e e f f e c t i v e i n a r r e s t i n g t h e m i c r o c r a c k s . A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s c o n d u c t e d i n t h i s s t u d y o n t h e e f f e c t i v e n e s s o f c a r b o n f i b e r s i n i m p r o v i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s . T h e s t u d y q u a n t i f i e d t h e e f f e c t s o f c a r b o n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h , a n d t h e c u r i n g p r o c e d u r e , o n t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e c o m p o s i t e . C a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s h a d a w a t e r - c u r i n g c o n d i t i o n s w e r e f a r s u p e r i o r t o t h e o t h e r c u r i n g p r o c e d u r e s f o r 1 9 4 a n d s u p e r p l a s t i c i z e r - c e m e n t i t i o u s r a t i o o f 0 . 0 8 . T h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s a n d l e n g t h s c o n s i d e r e d w e r e 3 % a n d 5 % o f 0 . 0 6 2 5 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s , a n d 3 % o f 0 . 1 2 5 i n . ( 3 m m ) f i b e r s . A c o n t r o l p l a i n m a t r i x w a s a l s o t e s t e d w i t h o u t f i b e r s . T h e m a t e r i a l s w e r e e i t h e r a i r - c u r e d , m o i s t - c u r e d , s t e a m - c u r e d , o r c u r e d i n w a t e r a t a m b i e n t a n d a l s o h i g h t e m p e r a t u r e s . T h e i m p a c t t e s t b a s i c a l l y c o n s i s t e d o f t h e a p p l i c a t i o n o f r e p e a t e d b l o w s o f a s t a n d a r d m a s s f r o m a s p e c i f i c h e i g h t t o a s t a n d a r d b a l l p o s i t i o n e d o n a 6 i n . ( 1 5 0 m m ) d i a m e t e r x 2 l / 2 i n . ( 6 3 m m ) h i g h c y l i n d r i c a l s p e c i m e n , a c c o r d i n g t o A S T M B - 1 5 5 6 . T h e n u m b e r o f b l o w s r e q u i r e d t o c a u s e t h e f i r s t v i s i b l e c r a c k a n d t h e u l t i m a t e f a i l u r e a r e t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e s o f f i b r o u s c o n c r e t e . T h e i m p a c t t e s t d a t a c a n b e r e p r e s e n t e d e i t h e r b y t h e n u m b e r o f b l o w s o r b y t h e e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s e b l o w s . T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n i n d i c a t e d t h a t , ” i n s p i t e o f t h e r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n r e s u l t s , t h e i m p a c t r e s i s t a n c e t e n d s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , w i t h t h e c u r i n g c o n d i t i o n s h e a v i l y i n f l u e n c i n g t h e e f f e c t s o f t h e s e v a r i a b l e s . A t 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e i n c r e a s e i n l e n g t h f r o m 0 . 0 6 2 5 i n . ( 1 . 5 m m ) t o 0 . 1 2 5 i n . ( 3 m m ) i n c r e a s e s t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e b y 6 0 % i n t h e c a s e o f s t e a m c u r i n g . T h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n f r o m 3 % t o 5 % f o r t h e 0 . 0 6 2 5 i n . ( 1 . 5 m m ) f i b e r s i n c r e a s e s t h e u l t i m a t e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s b y a b o u t 6 0 % f o r c u r i n g i n w a t e r a n d m o i s t e n v i r o n m e n t , b y a b o u t 1 0 0 % f o r c u r i n g i n a i r , a n d b y a b o u t 2 5 0 0 % f o r t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e i m p a c t s t r e n g t h s w a s s m a l l e r f o r c o m p o s i t e s c u r e d i n h o t w a t e r a n d s t e a m . B a s i c a l l y , t h e h o t w a t e r a n d s t e a m 1 9 5 c o m p o s i t e s w i t h 5 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . T h i s s u p e r i o r i t y w a s l e s s s i g n i f i c a n t a t 3 % f i b e r v o l u m e f r a c t i o n . F r o m t h e s e t e s t r e s u l t s i t m a y b e h y p o t h e s i z e d t h a t t h e h o t w a t e r a n d s t e a m c u r i n g c o n d i t i o n s l e a d t o m a j o r i m p r o v e m e n t s i n t h e i n t e r f a c i a l f i b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s a n d s o m e i m p r o v e m e n t s i n t h e m a t r i x p o r e s y s t e m . T h e s e f a c t o r s s e e m t o i l l u s t r a t e t h e h i g h e f f i c i e n c y o f c a r b o n f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f c e m e n t i t i o u s c o m p o s i t e s c u r e d i n s t e a m a n d i n h o t w a t e r . 1 0 . l l . 1 2 . 1 3 . R E F E R E N C E S M e h t a , P . K . , " C o n c r e t e S t r u c t u r e , P r o p e r t i e s a n d M a t e r i a l s , " P r i n t i c e - H a l l , I n c . , 1 9 8 6 , 4 5 0 p p . M i n d e s s , S . a n d Y o u n g , J . F . , " C o n c r e t e , " P r i n t i c e H a l l , I n c . , 1 9 8 1 , 6 7 1 p p . V i s a l v a n i c h , K . a n d N a a m a n , A . , " F r a c t u r e M o d e l f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 8 0 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 3 , p p . 1 2 8 - 1 3 8 . K r e n c h e l , H . a n d H e j g a a r d , 0 . , " C a n A s b e s t o s B e C o m p l e t e l y R e p l a c e d O n e D a y ? , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e , ( L o n d o n ) , V o l . 1 , S e p t e m b e r 1 9 7 5 , p p . 3 3 5 - 3 4 6 . A k i h a m a , S . , S u e n a g a , T . a n d N a k a g a w a , 1 1 . , " C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " C o n c r e t e V o l . 1 0 , N o . 1 , J a n u a r y 1 9 8 8 , p p . 4 0 - 4 7 . O h a m a , Y . , D e m u r a , K . a n d S a t o , Y . , " D e v e l o p m e n t o f L i g h t w e i g h t C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d F l y A s h - C e m e n t C o m p o s i t e s , " P r o c e e d i n g s , I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ( M a d r a s ) V o l . 1 , D e c e m b e r 1 9 8 7 , p p . 3 . 2 3 - 3 . 3 1 . N e e l a m e g a m , M . a n d V e n K a t e s w a r d u , 8 . , " P r o p e r t i e s o f G l a s s F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e s w i t h a n w i t h o u t P o l y m e r I m p r e g n a t i o n , " P r o c e e d i n g s , I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( M a d r a s ) , V o l . 1 , D e c e m b e r 1 9 8 7 , p p . 3 7 6 7 - 3 . 8 1 . K o n c z a l s k i , P . a n d P i e k a r s k i , P . , " T e n s i l e P r o p e r t i e s I o f P o r t l a n d . C e m e n t R e i n f o r c e d w i t h K e v l a r F i b e r s , " J o u r n a l o f R e i n f o r c e d P l a s t i c s a n d C o m p o s i t e s , V o l . 1 , O c t o b e r 1 9 8 2 , p p . 3 7 8 - 3 8 4 . S o r o u s h i a n , P . a n d N a g i , M . , " D u r a b i l i t y o f C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t , " R e p o r t M S U - E N G R - 8 7 - 0 7 , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , J u n e 1 9 8 7 , 6 0 p p . A l i , M . A . , M a j u m d a r , A . J . a n d R a y m e n t , D . L . , " C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e m e n t o f C e m e n t , " V o l . 2 , N o . 2 , 1 9 7 2 , p p . 2 0 1 - 2 1 2 . W a l l e r , J . A . , " C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e s , " A C I P u b l i c a t i o n S P 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 1 4 3 - 1 6 1 . O h a m a , Y . , A m a n o , M . a n d M i t s h u h i r o , E . , " P r o p e r t i e s o f C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t w i t h S i l i c a F u m e , " C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , V o l . 7 , N o . 3 , M a r c h 1 9 8 5 , p p . 5 8 - 6 2 . O h a m a , Y . a n d A m a n o , M . , " E f f e c t s o f S i l i c a F u m e a n d W a t e r R e d u c i n g A g e n t o n P r o p e r t i e s o f C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r , " P r o c e e d i n g s , 2 7 t h J a p a n C o n g r e s s o n M a t e r i a l s R e s e a r c h , K y o t o , 1 9 8 4 , p p . 1 8 7 - 1 9 1 . 1 9 6 1 4 . 1 5 . l 6 . l 7 . 1 8 . 1 9 . 2 0 . 2 1 . 2 2 . 2 3 . 2 4 . 2 5 . 2 6 . 2 7 . 2 8 . 2 9 . 1 9 7 A k i h a m a , S . , S u e n a g a , T . , a n d B a n n o , T . , " M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e a n d t h e A p p l i c a t i o n t o L a r g e D o m e s , " K I C T R e p o r t N o . 5 3 , K a j i m a I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y , T o k y o , J u l y 1 9 8 4 , 9 7 p p . . A k i h a m a q 8 . , S u e n a g a , T . , N a k a g a w a , H . a n d S u z u k i , K . , " I n f l u e n c e o f F i b e r S t r e n g t h a n d P o l y m e r I m p r e g n a t i o n o n t h e M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f C a r b o n F i b e r R e i n f b r c e d C e m e n t C o m p o s i t e s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , V o l . 1 , J u l y 1 9 8 6 . A k i h a m a , S . , K o b a y a s h i , M . , S u e n a g a , T . , N a k a g a w a , H . a n d S u z u k i , K . , " E f f e c t o f C F R C S p e c i m e n G e o m e t r y o n F l e x u r a l B e h a v i o r , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , V o l . 1 , J u l y 1 9 8 6 . N i s h i d k a , 1 ( . , ‘ Y a m a k a w a , S . a n d S h i r a k a w a , K . , " P r o p e r t i e s a n d A p p l i c a t i o n s o f C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , V o l . 1 , J u l y 1 9 8 6 . G a r l i n g h o u s e , L . H . a n d G a r l i n g h o u s e , R . E . , " T h e O m n i M i x e r - A N e w A p p r o a c h t o M i x i n g C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 6 9 , N o . 4 , A p r i l 1 9 7 2 , p p . 2 2 0 - 2 2 3 . " K u r e h a C a r b o n . F i b e r , " p r o d u c t i n f o r m a t i o n b r o c h u r e , K u r e h a C h e m i c a l I n d u s t r y C o m p a n y , T o k y o , 1 9 8 6 , 1 6 p p . " C a r b o f l e x , " p r o d u c t i o n i n f o r m a t i o n s h e e t s , A s h l a n d . P e t r o l e u m C o m p a n y , A s h l a n d , 1 9 8 6 , 5 p p . " H u r o n C e m e n t , " p r o d u c t i n f o r m a t i o n b r o c h u r e , H u r o n C e m e n t , S o u t h f i e l d , 1 9 8 5 , 6 p p . " M i c r o s i l i c a - T y p i c a l A n a l y s i s , " p r o d u c t i n f o r m a t i o n s h e e t s , E l k e m C h e m i c a l s , P i t t s b u r g h , 1 9 8 4 , 2 p p . ‘ W o l s i e f e r , J . , " U l t r a H i g h - S t r e n g t h F i e l d P l a c e a b l e C o n c r e t e w i t h S i l i c a F u m e A d m i x t u r e , " C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l , V o l . 6 , N o . 4 , A p r i l 1 9 8 4 , p p . 2 5 - 3 1 . R a m a k r i s h n a n , V . a n d S r i n i v a s a n , V . , " S i l i c a f u m e i n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " I n d i a n C o n c r e t e J o u r n a l , V o l . 5 6 , N o . 1 2 , * D e c e m b e r 1 9 8 2 , p p . 3 2 6 - 3 3 4 . " T h e D a r a c e m A d v a n t a g e , " p r o d u c t i n f o r m a t i o n b r o c h u r e , G r a c e C o n s t r u c t i o n P r o d u c t s , C a m b r i d g e , 1 9 8 6 , 6 p p . I n s t r u c t i o n M a n u a l f o r H o b a r t M o d e l A - 2 0 0 M i x e r , T h e H o b a r t M a n u f a c t u r i n g C o m p a n y , T r o y , 1 9 7 7 , 8 p p . " 1 9 8 6 A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , " S e c t i o n 4 : C o n s t r u c t i o n , V o l . 4 . 0 1 : C e m e n t , L i m e , G y p s u m ; A S T M , P h i l a d e l p h i a , 1 9 8 6 . O p e r a t i o n a n d S e r v i c e I n s t r u c t i o n f o r M o d e l C T - 2 1 l O - i n F l o w T a b l e , S o i l T e s t I n c o r p o r a t e d , E v a n s t o n , 1 9 8 5 , 4 p p . . A C I C o m m i t t e e 5 4 4 , " M e a s u r e m e n t o f P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 7 5 , N o . 7 , J u l y 1 9 7 8 , p p . 2 8 3 - 2 8 9 . 3 0 . 3 1 . 3 2 . 3 3 . 3 4 . 3 5 . 3 6 . 3 7 . 3 8 . 3 9 . 4 0 . 4 1 . 4 2 . 1 9 8 L a r s o n , 3 . , " C a r b o n F i b e r - C e m e n t A d h e s i o n i n C a r b o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t , " M . S . T h e s i s , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , E a s t L a n s i n g , 1 9 8 8 , 5 5 p p . R o m u a l d i , J . P . a n d M a n d e l , J . A . , " T e n s i l e S t r e n g t h o f C o n c r e t e A f f e c t e d b y U n i f o r m l y D i s t r i b u t e d a n d C l o s e l y S p a c e d S h o r t L e n g t h s o f W i r e R e i n f o r c e m e n t , " A C I J o u r n a l , V o l . 6 1 , N o . 6 , J u n e 1 9 6 4 , p p . 6 5 7 - 6 7 0 . O h a m a , Y . a n d M u r a n i s h i , R . , " R e l a t i o n B e t w e e n C u r i n g C o n d i t i o n s a n d S t r e n g t h o f S i l i c a F u m e M o d i f i e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , 2 7 t h J a p a n C o n g r e s s o n M a t e r i a l s R e s e a r c h , K y o t o , 1 9 8 4 , p p . 1 9 9 - 2 0 2 . A C I C o m m i t t e e 5 4 4 , " S t a t e - o f - t h e - A r t R e p o r t o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " R e p o r t N o . A C I 5 4 4 . 1 R - 8 2 , A C I , M a y 1 9 8 2 , 1 6 p p . S c h r a d e r , E . K . , " I m p a c t R e s i s t a n c e a n d T e s t P r o c e d u r e f o r C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 7 8 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 1 , p p . 1 4 1 - 1 4 6 . K a v y r c h i n e , M . a n d A s t r u c , M . , " I m p a c t T e s t i n g E q u i p m e n t f o r S t r u c t u r a l E l e m e n t s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 1 2 9 - 1 3 8 . V e r h a g e n , A . H . , " I m p a c t T e s t i n g o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : R e f l e c t i o n o n P o s s i b l e T e s t M e t h o d s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 9 9 - 1 0 6 . H i b b e r t , A . P . a n d H a n n a n t , D . J . , " T h e D e s i g n o f a n I n s t r u m e n t e d I m p a c t T e s t M a c h i n e f o r F i b e r C o n c r e t e s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s , ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 1 0 7 - 1 2 0 . J a m r o z y , 2 . , " L i g h t w e i g h t A g g r e g a t e C o n c r e t e w i t h S t e e l F i b e r A d m i x t u r e , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 1 2 1 - 1 2 7 . S u a r i s , W . a n d S h a h , S . P . , " P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e S u b j e c t e d t o . I m p a c t , " A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g , V o l . 1 0 9 , N o . 7 , J u l y 1 9 8 3 , p p . 1 7 2 7 - 1 7 4 1 . N a a m a n , A . E . , " F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r D y n a m i c L o a d i n g , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 8 1 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 8 4 , p p . 1 6 9 - 1 8 6 . L a k s h m i p a t h y , M . a n d S a n t h a k u m a r , A . R . , " E x p e r i m e n t a l V e r i f i c a t i o n o f t h e B e h a v i o r o f R e i n f o r c e d F i b r o u s C o n c r e t e F r a m e s S u b j e c t e d t o S e i s m i c T y p e o f L o a d i n g , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , V o l . 2 , N o . 8 . 1 5 , 1 9 8 6 . B e n t u r , A . , G a r y , R . J . a n d M i n d e s s , S . , " C r a c k i n g a n d P u l l - O u t P r o c e s s e s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s M a t e r i a l s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , V o l . 2 , N o . 6 . 2 , 1 9 8 6 . 4 3 . 4 4 . 4 5 . 4 6 . 1 9 9 R a m a k r i s h n a n , V . , B r a n d s h a u g , T . , C o y l e , W . V . a n d S c h r a d e r , E . K . , " A C o m p a r a t i v e E v a l u a t i o n o f C o n c r e t e R e i n f o r c e d S t r a i g h t S t e e l F i b e r s a n d F i b e r s w i t h D e f o r m e d E n d s G l u e d T o g e t h e r i n t o B u n d l e s , " A C I J o u r n a l , V o l . 7 7 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 8 0 , p p . 1 3 5 - 1 4 3 . R a m a k r i s h n a n , V . , C o y l e , W . V . , K u l a n d a i s a m y , V . a n d S c h r a d e r , E . K . , " P e r f o r m a n c e C h a r a c t e r i s t i c s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e s w i t h L o w F i b e r C o n t e n t s , " A C I J o u r n a l , V o l . 7 8 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 8 1 , p p . 3 8 8 - 3 9 4 . S c h r a d e r , E . K . , " F o r m u l a t i n g G u i d a n c e f o r T e s t i n g o f F i b e r C o n c r e t e i n A C I C o m m i t t e e 5 4 4 , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 9 - 2 1 . Z o l l o , R . F . , " C o l l a t e d F i b r i l l a t e d P o l y p r o p y l e n e F i b e r s i n F R C , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 8 1 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 8 4 , p p . 3 9 7 - 4 0 9 . [ " I . I I . I . I . . < . I ' I I I . I ! . - I I m l r . I . I I I < I I v I N ; K I I V I a I I ‘ I \ " u I . v V I I . . o I I I . I # I I . I 5 . 5 I I . Q a I . . I I . . . I I I O I . . I I v . . a I . . . . . I . . . . 1 . I I I Z . I . . I I . . I . . a I I I I . o I I I I I . I I . I I . I . I I . . . W fi . I I I I 1 fi I I . I I I I . 3 . . ? 1 ) fi . I I \ . I . I I . I _ . I I I I I . . I I D I I I I I . I I I . I . . I I I n I o . n I I . I . . I I . I I . _ I . I I I I I I . . - P I \ ‘ I I I I & . O I I - I I v I . fl I I I . I I I . I . I ; fi . x . . I I . . I . . . V I I I I I b I . I Q . I I I . . I D I I I I I I _ n I . I . I I P 3 I . I r . 1 . I I _ , I 5 . . . F 9 6 : . I I : I I I . . . . I I I I : I t . . J I I ‘ I I I . . . . . I I q . I . I . I I l . I . . I . I . I I I I . . . I . I . I . . l I I I . I . . . _ . _ . I u I . I I I I . . . I . I . . I . . . . . . _ I . u . . I I I I I I . . I I . I I I . I . . . . . I . . I . . . I . I I . . . I . I . I I . V . I I I I . . I . . I I . . I . I . I 1 . . . . I I I I . . . . . . . I I . I x . . . . I . . I p \ . I . . I I I I I I I I . I . I . . . . I . . I . . I I I u . I I . . . I I I I . I o . . I I . I I I I I . . . I I 1 . . I . I I . I I . I . f I . I I . I , . . I I I . . . . , . . . I . I I I . I . I v . . . . n . I I . I . . I . . I . . \ I I I Q . I . ~ \ . . I . v . I . I I I . I I I I . u I I . . I a I I I . 2 I u . I . . . I . I I I I I I I I : . I I I I . I I I I . I I I . I < . 4 . . I . I . I V I I . I \ I I . I : . I I I I I I . I I I I , I . . I I . . I I _ I I . I . I I . . I I I . . . . . n I . n I . I r . I . I . I I I I . . . I I : . I I I I f I I I I I . L I . I . . I I . : I I I I V I . . I I . n I I . I - I . I . I I I v L I I I I I . I . . I . I I I I _ I I . . | I . I I I I I . I _ . . I I I Q o o I I . - . I I I . . I I I . I . . I « I _ I I I I I I I . I h F . r I I I I u . I . I l I . l I . . I I . . . . I . . I . . . . . _ . . _ . I I I . . I : I . I I . I I I . I I I . . ‘ I I I . I I . . I a I . . I I . . I . . I I n . I . . I » I . . I . I I I I . I I . . I . I I . I . . ? _ I I I I . . I . . I A . I I . I L . I . I I I I I . I I . , . I . . I . I I I . I . I . I . . I I I . I I a I . . . . I I . I . . I I ! . I . x u I ; I I I a x . I . I I I . _ I . I I n . . o I I I . I . I . “ I I I I . . I I 2 I . . . I I . 9 I . r I I I I I I I I . . I I - 1 I . I I . . . I I I . . I I l I I I I I I I I I I I : I I I I I I I I I . I I I . I I I I I I I I I I I . . I I . . ’ . I I I . . . . I I I . a I I ' . I I I I I I I I I I I I . I I I I I » . . n . . I I I I I I I I I I I . I I V . I . » I I . . , . I I I . I I I I I I ! I I . I I I e I I I . I I I I I I I ” . I . . . . I I r I I . . I I I I . . u . I . . . I I I I . I I I I I I I 9 I . . . I . I . I : I . . I . I I I I I I I . I . . I I I I . I Q . , I . I I I I . . I I . . I . I . . - I . I I I . I . . f I . r I . I I . I I . . I I I I . I I . . I . I “ . I I I . I . . . . I I I . I I . . p . . 3 ) I I . I I 1 I I . I I I . I I I I . L . . I . I . d . I . . I I . . I I . I I I n I I I . l . . I I I ’ 0 l e . “ . . r . . I . . I . . . I I . . . I I I I ‘ I 2 I . I I . _ I . I . . . I I . I . I . I 9 . I . I I I . I I a . r . e I . 3 . . . . . . I . : I . I » . . t . I o I \ . I I I ) . I f I . 4 ? . I I 1 : . . . I I I I . . . . . . . I I . I I I I I . I I . . . . . I . . I . . . . . . . I . . I . . . . . . . . . . . I . . . r » , . . . . I I . . . . . . . I . . I . I . . . . I I I . . . I I . . I . . . I I I I . . . I I . I . I . . . . I : I . I . I . . . . . . . . . . . . I . . . I I . ‘ b I I I I I I I A I I I ‘ I ( . . I . r ' I I I : l I I I . I I I I V r L . . u g . i . . I fi n e . . I I N ! I F I I I I I I I I . I I . . I . . . . Y I I I I I V I I V I I I J I I I I I I I I I I I I . I . I I . t I I . . J I . J . I . I { I P I . \ 3 c . I : I ‘ ’ I I I I . I 2 I : I . I t I I 2 v . . r I 5 . i ‘ . o I V . 0 . I I I . . I . b u n I h I I I a n I i d : I k i u r I I I I f I . } w I ! n I b r . u m . . I . . . n . . I . . . F w o I I r u . l m l . I fi l . . I l I . . “ . I . n I I “ . / k h . I . . . I h I . I I p I I . - I t I e I o . E . . I I 0 I 7 . > . 3 0 I . . o ! v 4 . . ! . . . . . n . . u s b I l . a . . . i L E ' I l 9 l I 1 s - “ ! 3 I P ? l L ‘ I . e I I I . . . , I . . I I I . . . . . I . . I J . 4 . I 1 . « . I . 0 I V : I . . . l ” I . I I I . n v I I I [ A ? l c h i g a n S t a t e L I B R A R Y U n i v e r s i t y u P L A C E N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r e c o r d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b e f o r e o n e d u e . D A T E D U E . D A T E D U E D A T E D U E M S U I s A n A f fi r m d l v e A c t i o n / E w e ! O p p o r t u n i t y I n s t i t u t i o n C W M I M E C H A N I C A L P R O P E R T I E S A N D S T R U C T U R A L A P P L I C A T I O N S O F S T E E L F I B E R R E I N F O R C E D C O N C R E T E B y M o h a m e d Z i a d B a y a s i V o l u m e I I o f A D I S S E R T A T I O N S u b m i t t e d t o M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D O C T O R O F P H I L O S O P H Y D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g 1 9 8 9 t n i W t a p i g A B S T R A C T A c o m p r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n w a s p e r f o r m e d o n t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s a n d s t r u c t u r a l a p p l i c a t i o n s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e e f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d c o n c r e t e m a t r i x m i x v a r i a b l e s o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a s s e s s e d . T h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w e r e : ( a ) v o l u m e f r a c t i o n ; ( b ) l e n g t h a n d c r o s s - s e c t i o n a l d i m e n s i o n s ; a n d ( c ) t y p e o f m e c h a n i c a l d e f o r m a t i o n . T h e m a t r i x v a r i a b l e s c o n s i d e r e d w e r e : ( a ) c o n t e n t o f p o z z o l a n i c m a t e r i a l s ( f l y a s h a n d s i l i c a f u m e ) ; ( b ) b i n d e r c o n t e n t ; ( c ) s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e ; ( d ) w a t e r - b i n d e r r a t i o ; ( e ) m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e ; ( 0 a g g r e g a t e g r a d a t i o n ; a n d ( g ) d o s a g e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t . T h e t r e n d s e s t a b l i s h e d i n t h e e f f e c t o f f i b e r a n d m a t r i x v a r i a b l e s o n t h e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e c a n b e h e l p f u l i n p r o p o r t i o n i n g o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c e m e n t m i x t u r e s w h i c h h a s b e e n t r a d i t i o n a l l y p e r f o r m e d b a s e d o n e x p e r i e n c e . T h e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s w e r e c o n c l u d e d b y e s t a b l i s h i n g t h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p r o p e r t i e s . I n s t u d i e s o n t h e a p p l i c a t i o n o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a l o a d b e a r i n g s t r u c t u r a l e l e m e n t s , t h e e f f e c t s o f s t e e l f i b e r s o n i m p r o v i n g t h e s t r e n g t h a n d d i c t i l i t y o f c o n c r e t e f o o t i n g s u n d e r b e a r i n g p r e s s u r e , a n d e n h a n c i n g b o n d b e t w e e n d e f o r m e d b a r s a n d c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d . F i n a l l y . t h r o u g h a c r i t i c a l i n v e s t i g a t i o n o f t h e a v a i l a b l e a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s s i m u l a t i n g t h e s t e e l f i b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e r f o r m a n c e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s . t h e m e c h a n i s m o f a c t i o n i f s t e e l f i b e r s i n c o n c r e t e w a s i n v e s t i g a t e d . T o m y w i f e i v A C K N O W L E D G E M E N T S T h e p r e s e n t w o r k w a s p e r f o r m e d u n d e r t h e s u p e r v i s i o n o f D r . P a r v i z S o r o u s h i a n . T h r o u g h o u t t h i s w o r k , D r . S o r o u s h i a n w a s a s i n c e r e f r i e n d m o r e t h a n a n y t h i n g e l s e . T h e a u t h o r i s i n d e b t e d t o D r . S o r o u s h i a n f o r t h e a c h i e v e m e n t s t h a t c o u l d n o t b e p o s s i b l e w i t h o u t h i s g r e a t l e a d e r s h i p , s e l f l e s s n e s s a n d s a c r i fi c e s . D r . S o r o u s h i a n ' s p r i c e l e s s c o n t r i b u t i o n s t o t h i s w o r k w i l l n e v e r b e f o r g o t t e n a n d t h e a u t h o r w i s h e s h i m t o a l w a y s b e h i s m e n t o r . T h e a u t h o r a l s o w o u l d l i k e t o t h a n k D r . W i l l i a m C . T a y l o r , D r . L a w r e n c e T . D r a z a l a n d D r . G e o r g e M a s e f o r t h e i r h e l p a n d p r e c i o u s a d v i c e d u r i n g h i s P h D . P r o g r a m . T A B L E O F C O N T E N T S P a g e A B S T R A C T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 A C K N O W L E D G E M E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I I I T A B L E O F C O N T E N T S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I V L I S T O F F I G U R E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x ' L I S T O F T A B L E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X X X X I I C H A P T E R 1 : i n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 1 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 1 . 2 A d v a n t a g e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 1 1 . 2 . a D u c t i l i t y . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 1 1 . 2 . b I 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f f e c t s o n H a r d e n e d M a t e r i a l M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 7 3 . 6 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . 3 4 9 C H A P T E R 4 : E f f e c t s o f C o n c r e t e M a t r i x M i x P r o p o r t i o n s o n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 1 4 . 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 1 4 . 2 B a c k g r o u n d . . . . 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3 6 1 4 . 3 E x p e r i m e n t a l P r o g r a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 1 4 . 4 T e s t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 6 4 . 4 . a B i n d e r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 6 4 . 4 . b S u p e r p l a s t i c i z e r C o n t e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 9 4 . 4 . c W a t e r - B i n d e r R a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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o f P o z z o l a n i c M a t e r i a l s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 8 5 . 1 G e n e r a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 8 5 . 2 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 9 5 . 2 . a F l y A s h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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A P T G B E E D S e a u x x i E e k e e c n c p p s m m r R g l 7 o a r r r u i i s a m m s e e i r y : . u o n n . . . n n t t l . . . . d a a A a p . o n . l l p . f . d c . . r e e . P R i . . . R C . a . o s t . u . u n . g . . i l l c . s . o o . . n . . . r . t l t . a . s s u o . . . . . . . f . . . m . . . . s i . . . . . . . . . . o S . . . n . . . . . . . t . . . s . . . . . e . . e . . . . . . . . l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F . . . . . . . . . . . . i . . . . . . b . . . . . . . . . . . . e . . . . . . r . . . . . . . . . . . . R . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . i . . . . . . n . . . . . . . . . . . . f o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . r . . . . . c . . . . . . . . . . . . e . . . . . . d . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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O u t B e h a v i o r o f F i b e r s a n d T e n s i l e B e h a v i o r o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . 5 4 3 P a g e 9 . 4 E v a l u a t i o n o f t h e c o m p o s i t e M a t e r i a l C o n c e p t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 2 9 . 5 S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 6 C H A P T E R 1 0 : S u m m a r y a n d C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 7 1 0 . 1 E f f e c t s o f F i b e r V o l u m e F r a c t i o n a n d G e o m e t r y o n M a t e r i a l P e r f o r m a n c e . . . . . . 5 5 8 1 0 . 2 E f f e c t s o f F i b e r T y p e o n M a t e r i a l P e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 0 1 0 . 3 P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e w i t h D i f f e r e n t M a t r i x M i x P r o p o r t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 1 1 0 . 4 A p p l i c a t i o n s o f P o z z o l a n i c M a t e r i a l s t o S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . 5 6 4 1 0 . 5 S t a t i s t i c a l V a r i a t i o n s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e P r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 5 1 0 . 6 S t e e l F i b e r E f f e c t s o n C o n c r e t e F o o t i n g P e r f o r m a n c e u n d e r B e a r i n g P r e s s u r e 5 6 7 1 0 . 7 B o n d B e t w e e n R e i n f o r c i n g B a r s a n d S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e . . . . . . . . . . . 5 6 8 1 0 . 8 A n a l y t i c a l S i m u l a t i o n o f S t e e l F i b e r A c t i o n i n C o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6 9 R E F E R E N C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' 5 7 1 x i L I S T O F F I G U R E S P a g e F i g u r e 1 . 1 : A d d i t i o n o f s t e e l f i b e r s t o c o n c r e t e . a . F i b e r s b e i n g a d d e d d u r i n g m i x i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 b . F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0 F i g u r e 1 . 2 : I m p r o v e m e n t s i n d u c t i l i t y r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . a . C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 b . F l e x u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2 F i g u r e 1 . 3 : I m p r o v e m e n t s i n j o i n t b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 6 3 . C o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 b . F i b r o u s c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 F i g u r e 1 . 4 : I m p r o v e m e n t i n i m p a c t r e s i s t a n c e r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 3 F i g u r e 1 . 5 : I m p r o v e m e n t s i n d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . ‘ ‘ 1 ° . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 4 F i g u r e 1 . 6 : A p p l i c a t i o n s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e e n c o u r a g e d b y i t s x i i P a g e i m p r o v e d t e n s i l e ( f l e x u r a l ) s t r e n g t h . 1 1 ' 1 3 3 . C o n c r e t e p i p e s . 1 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 b . T e n s i l e s k i n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s . 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 c . P r e c a s t w e b i n c o m p o s i t e b e a m s . 1 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 5 F i g u r e 1 . 7 : D r y i n g s h r i n k a g e o f p l a i n v s . fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 4 ' 1 5 . . . . . . . . . . . . . . 2 0 8 F i g u r e 1 . 8 : E f f e c t s o f s t e e l f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n w o r k a b i l i t y . 1 ' 1 7 3 . V o l u m e f r a c t i o n . V , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 b . A s p e c t r a t i o , V d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 9 F i g u r e 1 . 9 : E x a m p l e s o f v a r i o u s s t e e l f i b e r t y p e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 1 F i g u r e 2 . 1 : a . I n v e r t e d s l u m p c o n e a p p a r a t u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 b . V e b e a p p a r a t u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 9 F i g u r e 2 . 2 : E f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t - r o u n d f i b e r s . 1 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 6 0 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o a 5 . 0 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 0 . 6 7 a n d x i i i P a g e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . 3 . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 1 b . V e b e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 F i g u r e 2 . 3 : E f f e c t s o f fi b e r t y p e o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a t a f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 5 % a n d d i f f e r e n t f i b e r a s p e c t r a t i o s . 1 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 . a g g r e g a t e — c e m e n t r a t i o - 4 . 0 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 b . V e b e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 4 F i g u r e 2 . 4 : E f f e c t s o f f i b e r a s p e c t r a t i o a n d v o l u m e f r a c t i o n o n V e b e t i m e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 5 F i g u r e 2 . 5 : E f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n w o r k a b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 6 a . V e b e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 7 b . S l u m p . 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 7 F i g u r e 2 . 6 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d f i b e r s p a c i n g o n V e b e t i m e . 1 7 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 4 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 1 . 3 0 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 8 i n ( 1 0 x i v P a g e m m ) ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m . a . F i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 b . F i b e r s p a c i n g a t d i f f e r e n t f i b e r l e n g t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 9 c . F i b e r l e n g t h a t d i f f e r e n t f i b e r s p a c i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 0 F i g u r e 2 . 7 : C o r r e l a t i o n b e t w e e n t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d V e b e t i m e s f o r s t e e l f i b e r . r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 F i g u r e 2 . 8 : T y p i c a l e f f e c t s o f m i x i n g t i m e o n s l u m p a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f f r e s h f i b r o u s m i x t u r e s w i t h c o l l a t e d s t e e l t i t a e r s . 2 1 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 0 ) . a . S l u m p . 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 F i g u r e 2 . 9 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f f b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a n d c o n c r e t e . 1 ' 5 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p s 4 . 5 K N , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 . 3 . P l a i n v s . f i b r o u s c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 b . E f f e c t s o f v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o f c i r c u l a r f i b e r s ( w a t e r - c e m e n t a 0 . 4 5 - 0 . 6 5 , a n d f i b e r d i a m e t e r - 0 . 0 1 8 - 0 . 0 6 4 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 c . E f f e c t s o f f i b e r a s p e c t r a t i o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 d . E f f e c t o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( m o r t a r ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 P a g e e . S c a t t e r i n t h e e f f e c t o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( c o n c r e t e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 F i g u r e 2 . 1 0 : I n c r e a s e i n fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r v o l u m e f r a c t i o n w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 6 1 i n I 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 9 F i g u r e 2 . 1 1 : I n f l u e n c e o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x o n t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s . 1 ' 5 1 m - 2 5 4 m m . a . B a s e d o n t o t a l a r e a ( c o n c r e t e m i x e s : w a t e r - c e m e n t r a t i o = - 0 . 6 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 5 . 0 a n d f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 7 ; a n d m o r t a r m i x e s : w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 a n d s a n d - c e m e n t r a t i o . . 2 . 4 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 b . B a s e d o n a r e a u p t o p e a k l o a d ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 2 . 4 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 1 F i g u r e 2 . 1 2 : E f f e c t s o f f b e r a s p e c t r a t i o o n fl e x u r a l p r o p e r t i e s a t d i f f e r e n t f i b e r d i a m e t e r s ( l e n g t h ) . 3 ' 1 7 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N a . S v e n g m n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 b . L o a d - d e f l e c t i o n c u r v e . 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . - 4 . 0 , fi n e - t c c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 . m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 4 F l g u r e 2 . 1 3 : E f f e c t s o f f b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e f l e x u r a l P a g e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . 3 v 2 3 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 a . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 2 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 5 b . F l e x u r a l s t r e n g t h . 3 ( V , - 1 . 5 % . w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 . m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) . c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) . - - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 6 c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 3 ( V , . 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 7 F i g u r e 2 . 1 4 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c h a r a c t r i s t i c s o f c o n c r e t e a n d m o r t a r . 2 2 9 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 a . C o n c r e t e . 2 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 6 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 6 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 1 . 2 . m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 4 x 8 i n ( 1 0 0 x 2 0 0 m m ) o f 1 y e a r o f a g e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 9 b . M o r t a r . 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 0 F i g u r e 2 . 1 5 : E f f e c t o f f i b e r v o l u m e t r a c t i o n o n t o u g h n e s s i n d e x o f m o r t a r w i t h x v i i P a g e d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 1 F i g u r e 2 . 1 6 : E f f e c t o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d m o r t a r . ‘ ? 6 ' 3 1 1 i n - 2 5 . 4 m m . 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 a . R e f e r e n c e 2 6 t e s t r e s u l t s ( c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s . w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 3 5 - 0 . 5 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 2 b . R e f e r e n c e 3 1 t e s t r e s u l t s ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 - 0 . 6 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 3 F i g u r e 2 . 1 7 : E f f e c t o f f i b e r a p s e c t r a t i o o n c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l f i b e r m o r t a r a n d c o n c r e t e . 2 ' 1 7 ' 2 9 ' 3 ° 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 a . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 5 . s a n d o c e m e n t r a t i o = - 3 . 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) . . . . . . . . 2 5 5 b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 4 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 7 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) a n d c u b i c a l s p e c i m e n s 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 5 F i g u r e 2 . 1 8 : R e v e r s a l o f t h e f i b e r a s p e c t r a t i o e f f e c t r e s u l t i n g f r o m w o r k a b i l i t y p r o b l e m s . 2 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 6 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 6 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 1 . 2 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 4 x 8 i n ( 1 0 0 x 2 0 0 m m ) o f 1 y e a r o f a g e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 7 x v i i i P a g e F i g u r e 2 . 1 9 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x o n t h e c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f m o r t a r . 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 3 . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 9 b . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 0 F i g u r e 2 . 2 0 : E f f e c t o f s t e e l f i b e r s o n t h e c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e . 3 1 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 - 0 . 6 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 1 F i g u r e 2 . 2 1 : T y p i c a l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o b t a i n e d f r o m d i r e c t t e n s i o n t e s t s o n p l a i n a n d f i b r o u s m o r t a r m a t r i c e s . 3 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o a 0 . 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o - 2 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 1 2 i n ( 3 0 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n - 2 x 3 / 4 i n ( 5 0 x 1 9 m m ) ) 1 i n : - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 . . 2 6 2 F i g u r e 2 . 2 2 : M e a s u r e d t e n s i l e s t r a i n s f o r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a t t h e c r i t i c a l z o n e a n d a w a y f r o m 1 1 . 3 2 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 5 F i g u r e 2 . 2 3 : T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g . 3 2 1 i n . 2 5 . 4 , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 6 F i g u r e 2 . 2 4 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r w i t h x i x P a g e s t r a i g h t - r o u n d f i b e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o = 3 . 0 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n = 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m . 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 8 F i g u r e 2 . 2 5 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r w i t h f i b e r a s p e c t r a t i o o f s t r a i g h t - r o u n d f i b e r s ; 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 . 0 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n i s 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 9 F i g u r e 2 . 2 6 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h a n d f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s fi ’ : 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o a 0 . 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o = 3 . 0 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h a 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n = 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n s 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 6 . 9 N / m m 2 6 . v f ( l / c i ) 3 ’ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 0 b . v f ( l / d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 1 F i g u r e 2 . 2 7 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s a n d d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o . 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h . . 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n . 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 a . v , ( i / d ) 3 ’ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 P a g e b . V f ( V O ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 4 F i g u r e 2 . 2 8 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r ( V f I / d ) . 3 5 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 4 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 2 4 i n ( 6 0 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n - 4 x 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m . 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 5 F i g u r e 2 . 2 9 : E f f e c t s o f f i b e r a s p e c t r a t i o o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d p o s t - p e a k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s } 3 6 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 . a g g r e g a t e o c e m e n t r a t i o - 4 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c y l i n d r i c a l s p e c i m e n ' s l e n g t h - 1 4 i n ( 3 6 0 m m ) a n d d i a m e t e r . 3 . 2 i n ( 8 0 m m ) ) 1 i n - 2 5 . 4 m m . 1 K s i . 6 . 9 m i n u t e , a . T e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 7 b . M a x i m u m p o s t - p e a k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 8 F i g u r e 2 . 3 0 : C o m p r e s s i o n a n d fl e x u r a l t e s t s e t - u p s a n d i n s t r u m e n t a t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m . a . C o m p r e s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 4 b . F l e x u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 4 x x i P a g e F i g u r e 2 . 3 1 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x a n d fi b e r t y p e o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 6 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 7 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 8 F i g u r e 2 . 3 2 : F l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 4 . 5 K N . a . S t r a i g h t fi b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 9 b . C r i m p e d fi b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 0 c . H o o k e d - e n d fi b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 1 F i g u r e 2 . 3 3 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x a n d fi b e r t y p e o n d i f f e r e n t a s p e c t s o f t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n s 2 5 . 4 m m , 1 K s i s 4 . 5 K N , 1 l b . i n = 1 1 5 N . m m a . F i r s t - c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 4 c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 d . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 F i g u r e 2 . 3 4 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 x x i i P a g e a . S t r a i g h t f i b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 8 b . C r i m p e d f i b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 9 c . H o o k e d f i b e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 0 F i g u r e 2 . 3 5 : E f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x a n d f i b e r t y p e o n d i f f e r e n t a s p e c t s o f t h e c o m p r e s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m z , 1 | b . i n . 1 1 5 N . m m 3 . S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 1 b . S t r a i n a t p e a k s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 2 c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 3 d . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 4 F i g u r e 3 . 1 : D i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . a . S t e e l fi b e r s h a p e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 0 b . S t e e l f i b e r c r o s s - s e c t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 0 c . F i b e r s g l u e d t o g e t h e r i n t o a b u n d l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 0 F i g u r e 3 . 2 : V e b e t e s t r e s u l t s f o r f i b r o u s c o n c r e t e w i t h d u o f o r m a n d s t r a i g h t fi b e r s . 2 0 ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V i ) . 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 0 . t i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 4 x x i i i P a g e F i g u r e 3 . 3 : E f f e c t o f f i b e r t y p e o n t h e s l u m p a n d V e b e t i m e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 9 ( V , - 1 . 5 % . w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 5 b . V e b e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 5 F i g u r e 3 . 4 : I n c r e a s e i n d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h a n d s t r a i n a t p e a k s t r e s s o f m o r t a r r e s u l t i n g f r o m r e i n f o r c m e n t w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o a 0 . 5 0 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n l e n g t h = 3 0 i n ( 7 6 2 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n a 4 x 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 m m ) ) 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 M P a . a . T e n s i l e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 9 b . S t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 0 F i g u r e 3 . 5 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m r e i n f o r c e m e n t w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 6 ( V , = 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c y l i n d r i c a l s p e c i m e n l e n g t h . 1 4 i n ( 3 5 6 m m ) a n d s p e c i m e n d i a m e t e r . 3 . 1 2 i n ( 8 0 m m ) ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 2 x x i v P a g e F i g u r e 3 . 6 : C o m p l e t e d i r e c t t e n s i l e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . 4 2 ( V , = 1 . 7 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 5 . s a n d - c e m e n t r a t i o - 2 . 5 . p r e s m a t i c s p e c i m e n l e n g t h - 3 9 . 4 i n ( 1 0 0 0 m m ) a n d s p e c i m e n c r o s s - s e c t i o n - 7 . 8 x 2 i n ( 2 0 0 x 5 0 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m . 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 3 F i g u r e 3 . 7 : E f f e c t s o f s t e e l fi b e r d e f o r m a t i o n s o n t h e f e l x u r a l b e h a v i o r o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 ( V , . 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 0 . f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e . 0 . 6 . m a x i m u m a g g r e g a t e r a t i o - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) . c e n t r a l l y l o a d e d b e a m s o f 4 x 4 x 3 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n l e n g t h = - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N a . l / d - 9 3 - 1 0 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 5 b . I / d - 6 8 - 8 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 6 F i g u r e 3 . 8 : F l e x u r a l b e h a v i o r o f fi b r o u s c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h h o o k e d a n d s t r a i g h t s t e e l fi b e r s . 8 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 4 3 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 . 1 6 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 1 . 0 5 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) . a n d s p e c i m e n s w e r e 4 x 4 x 1 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 3 5 5 m m ) l o a d e d a t o n e - t h i r d p o i n t l o a d i n g o v e r a s p a n o f 1 2 i n ( 3 0 5 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p a 4 . 5 K N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 3 X X V P a g e F i g u r e 3 . 9 : P e r c e n t a g e i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h o f m o r t a r s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 0 F i g u r e 3 . 1 0 : E f f e c t o f f i b e r t y p e o n f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 4 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 4 0 , s a n d - c e m e n t r a t i o . 3 . 0 , s p e c i m e n t d e p t h a 3 . 1 5 i n ( 8 0 m m ) , s p a n l e n g t h - 1 2 . 6 0 i n ( 3 6 0 m m ) , l o a d i n g a t o n e - t h i r d p o i n t s a n d c o n s t r u c t i o n b y s h o t c r e t i n g ) . 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . 3 3 1 F i g u r e 3 . 1 1 : T y p i c a l c o m p r e s s i v e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o s h i p s f o r c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t a n d h o o k e d s t e e l f i b e r s a t c o m p a r a b l e v o l u m e f r a c t i o n s a n d a s p e c t r a t i o s . 3 0 1 K s i = 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 5 F i g u r e 3 . 1 2 : E f f e c t s o f fi b e r t y p e o n f r e s h m i x p r o p e r t i e s . a . S l u m p . 1 i n . 2 5 . 4 i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 8 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 8 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 9 F i g u r e 3 . 1 3 : F l e x u r a l l o a d d e f l e c t i o n c h a r a c t r i s t i c s o f s t e e l fi b r o u s c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N . a . A s p e c t r a t i o - 5 7 - 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 0 b . A s p e c t r a t i o . 7 2 - 7 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 1 x x v i P a g e F i g u r e 3 . 1 4 : F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s i n d e x o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . a . T o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 1 K i p i n . . 1 1 4 M m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 4 b . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 5 F i g u r e 3 . 1 5 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . 1 K s i - 6 . 9 M P a . 3 . A s p e c t r a t i o a 5 7 - 6 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 5 b . A s p e c t r a t i o a 7 2 - 7 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 7 F i g u r e 3 . 1 6 : E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m " , 1 K i p i n = 1 1 4 M m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 8 F i g u r e 4 . 1 : E f f e c t o f a g g r e g a t e s i z e o n f i b e r d i s t r i b u t i o n . 5 a . D e s i r a b l e d i s p e r s i o n i n m o r t a r ( w i t h f i n e a g g r e g a t e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 b . T e n d e n c y t o w a r d s b a l l i n g i n c o n c r e t e ( w i t h c o a r s e a g g r e g a t e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 3 F i g u r e 4 . 2 : T y p i c a l e f f e c t o f a g g r e g a t e s i z e o n f r e s h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w o r k a b i l i t y . 5 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 4 F i g u r e 4 . 3 : I m p r o v e m e n t s i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l t i o n s h i p a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g c e m e n t x x v i i P a g e c o n t e n t a t a c o n s t a n t w a t e r - c e m e n t r a t i o . 4 8 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 , s i l i c a f u m e - c e m e n t r a t i o - 0 . 2 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 1 . 0 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 1 . 0 i n ) 1 i n . - 2 5 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m 2 3 . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p ( P r i s m a t i c s p e c i m e n d i m e n s i o n s = 4 x 4 x 1 4 i n l o a d e d i n f o u r - p o i n t l o a d i n g o v e r a s p a n o f 1 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 5 4 b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s o f 6 x 1 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 6 F i g u r e 4 . 4 : E f f e c t s o f w a t e r - c e m e n t r a t i o o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 4 8 ( s i l i c a f u m e - c e m e n t r a t i o = 0 . 2 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 5 . 4 - 6 . 0 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 1 . 0 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 1 . 0 i n ) 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z . a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p ( p r i s m a t i c s p e c i m e n d i m e n s i o n s = 4 x 4 x 1 4 i n l o a d e d i n f o u r - p o i n t l o a d i n g o v e r a s p a n o f 1 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 8 b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s o f 6 x 1 2 i n ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5 9 F i g u r e 4 . 5 : E f f e c t s o f c e m e n t c o n t e n t ( a g g r e g a t e c o n t e n t ) , w a t e r - c e m e n t a n d s u p e r p l a s t i c i z e r - c e m e n t r a t i o s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 2 6 ( s t r a i g h t r o u n d s t e e l fi b e r s w i t h a l e n g t h - 1 . 6 i n a n d a d i a m e t e r - 0 . 0 2 i n r e s u l t i n g i n a n a s p e c t r a t i o = 8 0 ) 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 K s i a . S l u m p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 2 b . V e b e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 3 x x v i i i P a g e c . F l e x u r a l s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 4 d . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 5 F i g u r e 4 . 6 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 9 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 0 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 1 fi F i g u r e 4 . 7 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r f e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i . 6 . 9 N / m m z . a . F l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 2 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 3 F i g u r e 4 . 8 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n t h e c h a r a c t e r i s t i c f l e x u r a l p r o p e r t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p i n . 1 1 4 M m a . F i r s t - c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . - _ - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 5 c . D e f l e c t i o n a t fi r s t c r a c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 6 d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 7 x x i x P a g e 8 . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 8 F i g u r e 4 . 9 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n c h a r a c t r i s l i c c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 , 1 K i p i n - 1 1 4 N . m . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 0 b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 1 c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 2 d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 3 F i g u r e 4 . 1 0 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . a . S l u m p 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 4 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 5 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 6 F i g U r e 4 . 1 1 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i - 6 . 9 N / m m z . a . F l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 8 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 9 P a g e F i g u r e 4 . 1 2 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l c h a r a c t r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n - 1 1 4 N . m . a . F i r s t c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 0 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 1 c . D e f l e c t i o n a t fi r s t c r a c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 2 d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 3 , e . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 4 F i g u r e 4 . 1 3 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e c h a r a c t r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 5 b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 6 c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 7 , d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ' . . . . . 3 9 8 F i g u r e 4 . 1 4 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9 9 b . I n v e r t e d S l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 0 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 1 F i g u r e 4 . 1 5 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 x x x i P a g e i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i . 6 . 9 N / m m z . a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 3 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 4 F i g u r e 4 . 1 6 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i . . 6 . 9 N / m m 2 , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m a . F i r s t c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 5 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 6 c . D e f l e c t i o n a t f i r s t c r a c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 7 d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 8 e . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 F i g u r e 4 . 1 7 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n t h e c h a r a c t e r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n e 1 1 4 N . m . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 0 b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 1 c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 2 d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 3 F i g u r e 4 . 1 8 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 4 x x x i i P a g e b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 5 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 6 F i g u r e 4 . 1 9 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 . a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 8 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 9 F i g u r e 4 . 2 0 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p : - 4 . 5 K N , 1 K s i : - 6 . 9 N / m m 2 , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . a . F i r s t c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 0 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 1 c . D e f l e c t i o n a t fi r s t c r a c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 2 d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 3 e . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 4 F i g u r e 4 . 2 1 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e c h a r a c t e r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . a . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 5 b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 5 c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 7 x x x i i i d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 8 P a g e F i g u r e 4 . 2 2 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e . 6 . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 9 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 0 c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 1 F i g u r e 4 . 2 3 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e l o a d - d e f o r m a t i o n c u r v e s . 1 i n = - 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i a 6 . 9 N / m m 2 3 . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 3 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 4 F i g u r e 4 . 2 4 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p a 4 . 5 K N , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . a . F i r s t c r a c k l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 5 b . U l t i m a t e l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 6 c . D e fl e c t i o n a t fi r s t c r a c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 7 ( 1 E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 8 e . T o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 9 x x x i v P a g e F i g u r e 4 . 2 5 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 . K i p . i n - 1 1 4 N . m . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 0 b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 1 c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 2 d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 3 F i g u r e 4 . 2 6 : E f f e c t s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t d o s a g e o n t h e a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 4 F i g u r e 5 . 1 : I n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , s 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 8 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , = 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 8 F i g u r e 5 . 2 : F l e x u r a l l o a d d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , - 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 0 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , . 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 0 F i g u r e 5 . 3 : F l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K i p - 4 . 5 K N . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , . 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 1 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , : - 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 1 F i g u r e 5 . 4 : F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , - 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 2 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , - 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 2 F i g u r e 5 . 5 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . 1 K s i = 6 . 9 M P a . 8 . F l y a s h c o n c r e t e ( V , . 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 4 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , . - 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 4 F i g u r e 5 . 6 : C o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K s i a 6 . 9 M P a a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , = 2 % ) - - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 5 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , = 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 5 F i g u r e 5 . 7 : C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m i n , 1 K i p . i n . 1 1 4 N . m a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , . 2 % ) - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 6 X x x v i P a g e b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , - 1 . 5 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 5 F i g u r e 5 . 8 : F l y a s h e f f e c t s o n a i r c o n t e n t o f f r e s h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( v , . 2 % ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 8 F i g u r e 5 . 9 : F l y a s h e f f e c t s o n d e v e l o p m e n t o f s t r e n g t h w i t h t i m e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6 8 F i g u r e 6 . 1 : E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r fl e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 a . F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 7 b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 8 F i g u r e 6 . 2 : E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K s i - 6 . 9 M P a a . F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 9 b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 0 F i g u r e 6 . 3 : E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) x x x v i i P a g e f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e t e s t r e s u l t s . 3 . F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 1 b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 2 F i g u r e 7 . 1 : E x a m p l e s o f e l e m e n t s s u b j e c t e d t o b e a r i n g s t r e s s e s . 8 . C o n c r e t e f o o t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 7 b . P r e s t r e s s e d b e a m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 7 c . P r e c a s t e l e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 7 F i g u r e 7 . 2 : F a i l u r e m o d e o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . 6 . P u n c h i n g o u t o f c o n c r e t e c o n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 8 b . V e r t i c a l p e n e t r a t i o n o f s p l i t c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 8 c . l n c l i n d p e n e t r a t i o n o f s p l i t c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 9 d . M e c h a n i s m s r e s i s t i n g b e a r i n g s t r e s s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3 9 F i g u r e 7 . 3 : E f f e c t o f r e s t r a i n i n g s p l i t c r a c k s b y r e b a r s o n c o n c r e t e b e h a v i o r u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . . 6 . 9 M P a a . R e s t r a i n i n g r e i n f o r c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 1 b . E f f e c t o f r e s t r a i n i n g r e i n f o r c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 1 F i g u r e 7 . 4 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s a n d t e s t r e s u l t s f r o m R e f e r e n c e 7 3 . 1 i n . x x x v i i i P a g e 2 5 . 4 m m a . T e s t s p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3 b . F a i l u r e m o d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3 c . T e s t r e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 3 F i g u r e 7 . 5 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s . 1 i n a 2 5 . 4 m m a . S p e c i m e n N o . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 5 b . S p e c i m e n N o . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 6 c . S p e c i m e n N o . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 7 d . S p e c i m e n N o . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 7 e . S p e c i m e n N o . 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 8 F i g u r e 7 . 6 : P l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a , 1 K i p - 4 . 5 K N . a . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 1 b . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 2 c . T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 2 F i g u r e 7 . 7 : T e s t s p e c i m e n u n d e r l o a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 3 F i g u r e 7 . 8 : T e s t s e t - u p a n d i n s t r u m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 4 x x x i x P a g e F i g u r e 7 . 9 : T y p i c a l c r a c k c o n fi g u r a t i o n i n p l a i n a n d f i b r o u s s p e c i m e n s . a . P l a i n c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 6 b . F i b r o u s r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( f u l l o r p a r t i a l d e p t h ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 6 F i g u r e 7 . 1 0 : E x p e r i m e n t a l b e a r i n g s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i . . 6 . 9 M P a . a . P l a i n s p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 7 b . F i b r o u s s p e c i m e n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 7 F i g u r e 7 . 1 1 : N o r m a l i z e d b e a r i n g s t r e s s v s . b e a r i n g d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n s 2 5 . 4 m m . a . W i t h o u t d o w e l b a r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 9 b . W i t h d o w e l b a r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 9 F i g u r e 7 . 1 2 : F a i l u r e m o d e l o f R e f e r e n c e 6 7 . a . P l a n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 1 b . S e c t i o n A - A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 1 c . l n t e m a l p r e s s s u r e c a u s i n g s p l i t t i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 1 F i g u r e 8 . 1 : P u l l - o u t f o r c e o n a n c h o r e d b a r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 0 F i g u r e 8 . 2 : M e c h a n i s m o f b o n d r e s i s t a n c e u n d e r m o n o t i n i c l o a d i n g . X X X X P a g e a . B o n d r e s i s t a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 1 b . S p l i t t i n g c r a c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 1 c . C o n fi n i n g r e i n f o r c e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 2 d . B o n d s t r e s s - s l i p r e l a t i o n s h i p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 2 F i g u r e 8 . 3 : S c h e m a t i c d i a g r a m o f t e s t s p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 4 F i g u r e 8 . 4 : T e s t s p e c i m e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 4 F i g u r e 8 . 5 : T e s t s e t - u p . . . . . . . . ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 6 F i g u r e 8 . 6 : M a t e r i a l p r o p e r t i e s . 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K i p a 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 M P a . a . D e f o r m a t i o n p a t t e r n o f N o . 8 b o n d e d b a r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 8 b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 8 c . F l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o s h i p s o f p l a i n a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . . . . . . . . 5 2 9 F i g u r e 8 . 7 : E f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n c o n fi n e d c o n c r e t e . 1 I n I 2 5 . 4 m m , 1 K S I 8 6 . 9 M P 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 2 F i g u r e 8 . 8 : E f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n u n c o n f i n e d x x x x i P a g e c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 4 F i g u r e 8 . 9 : E f f e c t o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 5 F i g u r e 9 . 1 : T e n s i l e b e h a v i o r o f p l a i n a n d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . 3 3 3 5 1 4 2 3 0 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 8 F i g u r e 9 . 2 : R a n d o m o r i e n t a t i o n a n d l o c a t i o n o f fi b e r s w i t h r e s p e c t t o c r a c k . . . . . . . . . . 5 4 2 F i g u r e 9 . 3 : l n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s a t u l t i m a t e c o n d i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 7 - F i g u r e 9 . 4 : P u l l - o u t m e c h a n i s m o f a n i n c l i n e d fi b e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 4 F i g u r e 9 . 5 : A t y p i c a l r i b e r p u l l - o u t l o a d - s l i p r e l a t i o n s h i p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 F i g u r e 9 . 6 : F i b e r p u l l - o u t t e s t t e c h n i q u e s . 6 . R e f e r e n c e s 9 6 , 9 7 a n d 9 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 b . R e f e r e n c e 1 0 3 . . . . . . . . . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 c . R e f e r e n c e t O t - - . . . . . . . . - - - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 6 d . R e f e r e n c e 1 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 x x x x i i P a g e 6 . R e f e r e n c e 8 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 6 f . R e f e r e n c e 1 0 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 6 F i g u r e 9 . 7 : P u l l - o u t f o r c e - s l i p r e l a t i o n s h i p s o f a l i g n e d a n d i n c l i n e d n b e r s . 9 7 - 9 9 - 1 ° 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 9 F i g u r e 9 . 8 : E f f e c t o f n u m b e r o f i n c l u n e d f i b e r s o n t h e i r p u l l - o u t b e h a v i o r . 9 7 - 9 9 4 0 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 0 F i g u r e 9 . 9 : I n c r e a s e i n p e a k t e n s i l e s t r e s s a n d s t r a i n a t p e a k s t r e s s r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t . 3 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 3 F i g u r e 9 . 1 0 : C r a c k o p e n i n g i n d i r e c t t e n s i o n t e s t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 4 x x x x i i i 1 i n T a b l - e 2 5 3 . . 2 4 : , 1 G e K o s i - m e t r 6 i . 9 N / m e s o f d m i z - f f e r e n t fi b e r t y p e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3 3 3 6 2 6 7 . . . . . . . . . . . . . . L I S T O F T A B L E S P a g e T a b l e 1 . 1 : S o m e a p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 ' 1 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 7 T a b l e 1 . 2 : B a s i c p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r s . " 1 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 0 T a b l e 2 . 1 : M a j o r c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f f l y a s h u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 3 7 1 i n = - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 0 T a b l e 2 . 2 : F i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s i n t h e m i x e s o f t h e t e s t p r o g r a m . 1 i n - 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 1 T a b l e 3 . 1 : E f f e c t o f f i b e r t y p e o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d c e m e n t p a s t . 4 5 ( V , - 1 . 5 % , w a t e r c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , s p e c i m e n d i m e n s i o n s - 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) , s p a n - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) c e n t r a l l y l o a d e d a n d t e s t a g e - 3 0 d a y s ) . T a b l e 4 . 1 : M a t r i x m i x v a r i a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x x x x i v P a g e T a b l e 5 . 1 : C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e f l y a s h u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 3 7 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 5 T a b l e 5 . 2 : C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s i l i c a f u m e u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 6 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 6 T a b l e 6 . 1 : E x p e r i m e n t a l r e s u l t s . 1 K s i - 6 . 9 M P a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 5 T a b l e 7 . 1 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s . 1 i n . 2 5 . 4 m m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 5 T a b l e 7 . 2 : C o m p a r i s o n o f t e s t r e s u l t s w i t h t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s o f b e a r i n g s t r e n g t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 4 T a b l e 8 . 1 : R e i n f o r c e m e n t c o n fi g u r a t i o n s o f t e s t s p e c i m e n s ( s e e F i g u r e 8 . 3 ) ' # 4 b a r - 0 . 5 i n - 1 2 . 7 m m d i a m e t e r 5 3 1 T a b l e 9 . 1 : R e s u l t s o f p u l l - o u t t e s t s o n a s i n g l e s t r a i g h t s t e e l fi b e r a l i g n e d w i t h t h e l o a d i n g w i t h t h e l o a d i n g d i r e c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 7 a . F F i g u r i e b e r s b 1 . 1 : e A i n g a d d d d i t i o n e o d d u f s t e r e i l n g m fi b e i r x s i n g b . F i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o c o n c r e t e . C H A P T E R 1 1 1 1 1 m m m m S t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s g e n e r a l l y c o n s t r u c t e d b y a d d i n g s h o r t f i b e r s o f s m a l l c r o s s - s e c t i o n a l s i z e t o t h e f r e s h m i x ( F i g u r e 1 . 1 . a ) . T h e i d e a i s t o r e i n f o r c e t h e c o n c r e t e w i t h u n i f o r m l y d i s p e r s e d a n d r a n d o m l y o r i e n t e d s t e e l f i b e r s ( F i g u r e 1 . 1 . b ) . T h e r e a r e n u m e r o u s a d v a n t a g e s t h a t c a n b e a c h i e v e d b y r e i n f o r c i n g c o n c r e t e w i t h s h o r t r a n d o m l y d i s t r i b u t e d s t e e l fi b e r s . T h e r e a r e a l s o s o m e p r e c a u t i o n s n e e d e d f o r c o n s t r u c t i o n w i t h f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . b a s k e t 2 0 0 2 0 1 M B : T h e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e t h a t c a n b e i m p r o v e d b y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n c l u d e z 1 ’ 5 ( a ) d u c t i l i t y ; ( b ) i m p a c t r e s i s t a n c e ; ( c ) t e n s i l e a n d fl e x u r a l s t r e n g t h s ; ( d ) f a t i g u e l i f e ; ( 6 ) s h r i n k a g e ; a n d ( f ) d u r a b i l i t y a n d e r o s i o n r e s i s t a n c e . T h e s e i m p r o v e m e n t s a n d s o m e o f t h e i r p r a c t i c a l i m p l i c a t i o n s a r e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g : 1 . 2 . 8 M 1 1 1 1 1 : O n e o f t h e p r o b l e m s o f c e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s i s t h e i r i n h e r e n t l y b r i t t l e t y p e o f f a i l u r e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s . F i b e r s e n a b l e t h e c o m p o s i t e t o a b s o r b e n e r g y a n d b e h a v e e f f e c t i v e l y a s a d u c t i l e m a t e r i a l . 1 ' 5 T h e g a i n s i n d u c t i l i t y r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t a r e o b v i o u s i n F i g u r e s 1 . 2 . 3 a n d 1 . 2 . b w h i c h q u a l i t a t i v e l y c o m p a r e t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n d i a g r a m s a n d fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p s , r e s p e c t i v e l y , o f p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . F a i l u r e o f p l a i n c o n c r e t e i s b r i t t l e , w h i l e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s c a p a b l e o f s u s t a i n i n g a m a j o r p o r t i o n o f i t s c a p a c i t y a t l a r g e d e f o r m a t i o n s . T h e i m p r o v e m e n t s i n d u c t i l i t y r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t a r e o f e x t r e m e s i g n i fi c a n c e i n s e i s m i c - a n d b l a s t - r e s i s t a n t r e i n f o r c e d c o n c r e t e s r t u c t u r e s . S u c h s t r u c t u r e s s h o u l d b e c a p a b l e o f a b s o r b i n g s e v e r e e n e r g y i n p u t s t h r o u g h l a r g e i n e l a s t i c d e f o r m a t i o n s w i t h o u t c o l l a p s e . 1 1 ‘ 1 6 F i b e r r e i n f o r c e m e n t , b y i m p r o v i n g d u c t i l i t y , c a n a l s o p r o m o t e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s a n d s t e e l s w h i c h V g e n e r a l l y s u f f e r f r o m b r i t t l e m o d e s o f f a i l u r e . 1 - 4 v 7 F i g u r e 1 . 3 s h o w s t h e C o m p r e s s i o n b - F l e r o v e m e n t s i n d u c t i l i t y r e s u l t i n g f r m s t e e l fi b e 3 . p F i g u r e 1 . 2 : I c e m e n t i t o u s m a m t x r u r e r e i n f o r c e m e n t . o v e r i a l s . T h i s s h o r t c o m i n g c a n b e o e r c o m e t o s o m e e x t e n t b y fi b e r 2 0 2 i i , S I T E S ! 6 l o a d H f f i b e r c o n c r e t e f i b e r c o n c r e t e p l a i n c o n c r e t e p l a i n c o n c r e t e s t r a i n d e f l e c t i o n i m p r o v e m e n t i n t h e b e h a v i o r o f a n e x t e r i o r b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n u n d e r c y c l i c l o a d s r e s u t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 6 T h e fi b r o u s j o i n t i s m o r e s t a b l e u n d e r c y c l i c l o a d s a n d f a i l s i n a d u c t i l e m a n n e r . 1 . 2 . b 1 m p a c t fl e s j s 1 a n c e : C e m e n t - b a s e d m a t e r i a l s c a n n o t r e s i s t i m p a c t l o a d s s a t i s f a c t o r i l y . T r e m e n d o u s i m p r o v e m e n t s i n t h e i r i m p a c t r e s i s t a n c e a n d s h o c k a b s o r b e n c e c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h f i b e r r e i n f o r c e m e n t ( F i g u r e 1 . 4 ) . 8 S u c h i r n m o v e m e n t s a r e a d v a n t a g e o u s i n a p p l i c a t i o n s s u c h a s a i r f i e l d p a v e m e n t s a n d p r o t e c t i v e s t r u c t u r e s . 1 2 C W : L o w t e n s i l e s t r e n g t h i s a m a j o r w e a k n e s s o f / / / / / / / / / / / 7 / / / 2 0 3 d e t e r i o r a t i o n i n c o n c r e t e c o v e r ) n o n e n t n o n e n r c y c l e I c y c l e I ' / l — c y c l e 2 - , / / " " ‘ / c y c l e 2 - / / / ’ / / t ; 7 / 9 / Y O I I E i o n / / / 4 7 r o t a t i o n / / / / / a . C o n v e n t i o n a l c o n c r e t e b . F i b r o u s c o n c r e t e F i g u r e 1 . 3 : I m p r o v e m e n t s i n j o i n t b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t . 6 I m p I C t i t F i b e r C o n c r e t e R e s i S t e n c e P l a i n c o n c r e t e m F i g u r e 1 . 4 : I m p r o v e m e n t i n i m p a c t r e s i s t a n c e r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 8 1 o . b 5 t i g u c a r e t d p . i e o h m e 1 n e r fi r c e b o e i e i m r p n n f f r a o o e r r r c e n s i i c F i g u r e 1 . e 5 f m o o e n n r c s d t i e s m e n t . i m F o d i r e t g e e m a s s u a n i : I m p r o v e m r r e e s t n F o n t b s a r e i . 2 m n b p c t x i o s o d f r t e c y f t p l e m r r v i e e c t t e n s i l e n s a e a u l r t s i l i n t r e s o t n e s d u c s . t t s t e s - i e h a v i o r l r n b i e o f p l a i n s t t i n ' m r A . y s t a i 1 . 1 a T a r 0 d j h i o e A g t r e f e a f s n m e i s m c i s i l t o a o r f n a s n t d a fi n b d e r r a l e e l f l e x u e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r i n d i r 2 0 4 s t r e n g t h s a r e a l s o o b s e r v e d t o i n c r e a s e i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l f i b r e s . T e n s i l e ‘ r S t r e e e F i b e r C o n c r e t e P l a i n C o n c r e t e ' k T e n s i l e S t r a i n r e i n f o r c e m e n t . 1 ' 1 0 T h e i n c r e a s e d t e n s i l e s t r e n g t h m a k e s f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n a t t r a c t i v e a l t e r n a t i v e m a t e r i a l f o r m a n y a p p l i c a t i o n s s u c h a s p a v e m e n t s , w a t e r t a n k s , a n d p i p e s . T h e h i g h e r t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b r o u s c o n c r e t e a l s o e n h a n c e s t h e b e h a v i o r a n d s t r e n g t h u n d e r s h e a r s t r e s s e s i n s t r u c t u r a l c o m p o n e n t s s u c h b e a m s , s l a b s a n d b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s . F i g u r e 1 . 6 s h o w s s o m e a p p l i c a t i o n s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e e n c o u r a g e d b y i t s i m p r o v e d t e n s i l e s t r e n g t h . C C a o s n t c i e n t e r P l F a l c a e n P e g # [ : l a i n c . P r e c a s t w e b i n c o m p o s i t e b e a m s . 1 3 2 0 5 P l a i n c o n c r e 0 F i b e r " C o n c r e t e 5 ” “ 1 ’ a . C o n c r e t e p i p e s . 1 1 - b . T e n s i l e s k i n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s . 1 2 L T P r e c a s t F i b e r C o n c r e t e H e b F i g u r e 1 . 6 : A p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e e n c o u r a g e d b y i t s i m p r o v e d t e n s i l e ( fl e x u r a l ) s t r e n g t h . “ ' 1 3 1 s d f a c . t e a p o 2 r c t p n . e r i l c d n g i r t W e a a g e u c e t h s t e l i e i , w f o i t s e n t h e e t h c r o T s e i s n t f h r t g s o m b e r e n t r p r a t e e s n e h i f n e i p s r d t i i u n e c c e d l f k t e l e o n s n f fi r e h b t l c s a g c e r d e t v c a e e s e i a t o o n r o n s s n a b d i c t e e u f v o n e l a d m r t c e e e a s e f e i d m r n l r a s f i p u s n l c c t k r i t a e e v e l w n e a i g m d fi s e i r g s t t a n s . i a f e b t o w a s n i f i c a n t u a g h n e d v A d 5 l d e b 0 i o r % t e a i d i d n t i o i h g n n n a c g o s t c e r e f r . o . u a s T a W h s t g i o f c o e e e t s d h e e n l v n m f i i e t s i h t n f b e p e t a e r i e t o r l o s i n v fi g u e a e b l m e s o e r a l n t s i n 2 0 6 c o n c r e t e p a v e m e n t s . 4 1 . 2 . e _ S . D L i n l s a . 0 2 : S o m e o f t h e c r a c k i n g w h i c h o c c u r s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s u l t s f r o m t h e r e s t r a i n t t o f r e e s h r i n k a g e p r o v i d e d t h e c o n t i n u i t y o f s t r u c t u r e s , r e i n f o r c i n g b a r s a n d m o i s t u r e g r a d i e n t i n c o n c r e t e . E x p e r i m e n t s o n fi b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s r e d u c e s t h e f r e e s h r i n k a g e a n d c o n t r o l s s h r i n k a g e c r a c k s ? “ 1 5 F i g u r e 1 . 7 p r e s e n t s a t y p i c a l c o m p a r i s o n b e t w e e n d r y i n g s h r i n k a g e o f p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . T h e r e a r e n u m e r o u s a r e a s o f c o n c r e t e a p p l i c a t i o n s t h a t c a n b e n e fi t f r o m t h e r e d u c e d s h r i n k a g e r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t s . A p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r s a l s o i m p r o v e s a n u m b e r o f o t h e r p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e , i n c l u d i n g t h e i r d u r a b i l i t y , e r o s i o n r e s i s t a n c e , t h e r m a l p r o p e r t i e s , f r i c t i o n a n d s k i d r e s i s t a n c e , f r a g m e n t a t i o n a n d s p e l l i n g r e s i s t a n c e , a n d c e r t a i n r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s . 1 t 4 T a b l e 1 . 1 s u m m a r i z e s s o m e a p p l i c a t i o n s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d t h o s e a d v a n t a g e s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t t h a t a r e o f p a r t i c u l a r s i g n i fi c a n c e i n e a c h a p p l i c a t i o n . 1 ) . c e l h t e e r u D t a 6 r ) t n g o i t p r o n h e t r g t n g S e n r i e p n m o e i T t s d t k c p b n S A a y s e l ) g s c a r e n r a r C ( e u h y n a n x f t t t h r g o i s H b A r e r E e d e f s g l ( l n t i i n l t s l e F y S e r b ( t R t e i c e S e l i t l c i m c i r i t a e v s e c n p n e r u y n e h e D D T S S I e e e e e u a H r o d i e v c a u h d e e B R [ [ 2 0 7 T a b l e 1 . 1 : S o m e a p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 - 1 7 I M P R O V E M E N T S A P P L I C A T I O N S S e i s m i c - R e s i s t a n t S t r u c t u r e s A i r f i e l d e n d H i g h v e y P e v e n e n t s T h i n S h e l l s F r e n e s , B e e - s , e n d F l e t S l e b s B r i d g e S t r u c t u r e s l l e s t - R e s i s t e n t S t r u c t u r e s P e t e r T e n k s B y d r e u l i c S t r u c t u r e s P r e c e s t e n d P r e s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s H i g h - S t r e n g t h C o n c r e t e e n d H i g h - S t r e n g t h S t e e l O v e r l e y i n I n d u s t r i e l E n v i r o n n e n t s R e f r e c t o r y S t r u c t u r e s F e t c h i n g , e n d R e p e i r w i t h S h o t c r e t e R o c k S l o p e S t e b i l i z e t i o n C o n c r e t e P i p e s N u c l e e r R e e c t o r s K i n e T u n n e l i n g O O c O u U a d I O 0 0 8 0 ' . O U « c u : 0 0 : 0 a 3 - a o I f t h a t « ‘ C O I O y e n - « n “ ‘ 2 1 : ; 8 . 0 0 1 : 0 “ e d a : ‘ & ‘ . 1 C d ! O ‘ C O U < = 0 - i I l O ' U n u — e « S Q - fl u 1 1 3 " “ : . 4 2 6 ; O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O F i b e r C o n c r e t e 2 0 8 D r y i n g P l a i n C o e t c S h r i n k a g e D r y C u r i n g P e r i o d F i g u r e 1 . 7 : D r y i n g s h r i n k a g e o f p l a i n v s . fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 4 ' 1 5 1 1 1 2 3 2 1 1 1 1 1 2 1 1 : I n o r d e r t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f t h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u e , a t t e n t i o n s h o u l d b e p a i d t o r e s o l v i n g s o m e p r o b l e m s a s s o c i t e d w i t h i t s u s e ; t h e m a i n o n e s b e i n g r e l a t e d t o fi b e r d i s p e r s i o n a n d w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x . 1 4 ' 1 6 I t i s i m p o r t a n t t h a t t h e fi b e r s b e d i s p e r s e d u n i f o r m l y t h r o u g h o u t t h e m i x . T h i s m i g h t r e q u i r e s o m e m o d i f i c a t i o n s i n t h e p r o p o r t i o n s ( e . g . u s e o f s o m e a d d i t i v e s ) , a n d m i x i n g t e c h n i q u e ( e . g . , t h e s e q u e n c e o f a d d i n g d i f f e r e n t m i x c o n s t i t u e n t s ) . A d d i t i o n s o f f i b e r s a l s o r e d u c e s m i x w o r k a b i l i t y , a n d c e r t a i n m o d i f i c a t i o n s s h o u l d b e m a d e i n t h e m i x d e s i g n t o o v e r c o m e t h i s p r o b l e m . U s e o f s u p e r p l a s t i c i z e r s i n t h e m i x i s a p o p u l a r a p p r o a c h t o e n h a n c i n g t h e fi b r o u s m i x w o r k a b i l i t y . 1 ' 1 6 I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t b o t h t h e d i s p e r s i o n a n d w o r k a b i l i t y p r o b l e m s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e s t r o n g l y i n f l u e n c e d b y t y p e a n d e s p e c i a l l y t h e a s p e c t r a t i o o f s t e e l fi b e r s ( l e n g t h o f fi b e r d i v i d e d b y i t s n o m i n a l d i a m e t e r , 1 / d ) . A g e n e r a l r u l e i s t h a t t h e f r e s h m i x p r o p e r t i e s d e t e r i o r a t e a s t h e a s p e c t r a t i o o f fi b e r s y _ F i g u r e 1 . 8 : E f f e c t s o f s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n 2 0 9 i n c r e a s e s . T y p i c a l e f f e c t s o f t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o f s t e e l fi b e r s o n t h e w o r k i a b i l i t y o f f r e s h m i x a r e p r e s e n t e d q u a l i t a t i v e l y i n F i g u r e s 1 . 8 . a a n d 1 . 8 . b , r e s p e c t i v e l y . ‘ 6 ' 1 7 I l l w o r k a b i l i t r w o r k a b i l i t y l 2 3 i . V f ( Z ) 5 ° 1 ° 0 1 4 a . V o l u m e t r a c t i o n , v f b - A s p e c t r a t i o . I / d w o r k a b i l i t y . 1 ' 1 7 I n s o f a r a s t h e c o r r o s i o n o f s t e e l fi b e r s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s d u e t o t h e e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s i s c o n c e r n e d , t h e e x p e r i e n c e w i t h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e h a s r e v e a l e d t h a t t h e c o n c r e t e i s c a p a b l e o f e f f e c t i v e l y p r o t e c t i n g fi b e r s u n d e r s e v e r e l o n g - t e r m e x p o s u r e c o n d i t i o n . 4 i P r i S h o r t s t e e l w i r e i s c u r r e n t l y t h e m o s t c o m m o n fi b e r t y p e . B a s i c c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 1 . 2 . S t e e l fi b e r s m i g h t b e r o u n d o r r e c t a n g u l a r 2 1 0 i n c r o s s - s e c t i o n , a n d t h e y a r e p r o d u c e d i n t h e f o l l o w i n g f o r m s : s t r a i g h t - s m o o t h ( F i g u r e 1 . 9 . a ) , s t r a i g h t - d e f o r m e d ( o r d i n a r y d u o f o r m s h o w n i n F i g u r e 1 . 9 . b a n d d o u b l e d u o f o r m s h o w n i n F i g u r e 1 . 9 . c ) , c r i m p e d e n d ( F i g u r e 1 . 9 . e ) , h o o k e d - e n d ( F i g u r e 1 . 9 . 0 , i r r e g u l a r l y s h a p e d ( F i g u r e 1 . 9 . 9 ) , a n d p a d d e l e d ( F i g u r e 1 . 9 . h ) . S t e e l fi b e r s h a v e r e l a t i v e l y l a r g e s t r e n g t h a n d m o d u l u s o f e l a s t i c i t y , t h e y a r e i n e r t i n t h e a l k a l i n e e n v i r o n m e n t o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t r i x , a n d t h e i r b o n d t o t h e m a t r i x c a n b e e n h a n c e d b y m e c h a n i c a l a n c h o r a g e . L o n g - t e r m l o a d i n g d o e s n o t a d v e r s e l y i n fl u e n c e t h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r s , a n d t h e i r p r i c e i s a l s o c o m p a r a b l e w i t h t h o s e o f t h e o t h e r f i b e r s . T h e y a r e , h o w e v e r , p r o n e t o c o r r o s i o n i f n o t p r o t e c t e d b y t h e m a t r i x , a n d r e l a t i v e l y h e a v y . T h e y c a n n o t a l s o b e i m p r e g n a t e d i n t h e c e m e n t - b a s e d m a t r i c e s a t h i g h v o l u m e f r a c t i o n s . T a b l e 1 . 2 : B a s i c p r o p e r t i e s o f ' s t e e l fi b e r s . 1 ' 1 7 S p e c i fi c G r a v i t y - 7 . 8 6 T e n s i l e S t r e n g t h = 1 0 0 - 3 0 0 k s i Y o u n g ' s M o d u l u s - = 3 0 x 1 0 3 k s i E l o n g a t i o n a t F a i l u r e = u p t o 3 0 % C o m m o n V o l u m e F r a c t i o n - 0 . 5 3 % C o m m o n D i a m e t e r s = 0 . 0 1 - 0 . 0 4 i n C o m m o n L e n g t h - 0 . 5 2 i n 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 k s i = 6 . 9 M P a F l r ' f l ’ i i t D u r i n g t h e 1 9 7 0 ' s a n d 1 9 8 0 ' s e x t e n s i v e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t w o r k , t o g e t h e r w i t h a w i d e r a n g e o f p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s , h a v e t r a n s f e r r e d s t e e l f i b e r c o n c r e t e 3 : 2 2 1 2 : : 0 0 2 1 1 0 0 ° b c . d e 0 Q 0 0 r s - b F i g u r e 1 . 9 : E x a m p l e s o f v a r i o u s s t e e l fi b e r t y p e s . 2 1 2 m a t e r i a l s f r o m a l a b o r a t o r y c u r i o s i t y i n t o a r e l i a b l e c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s . S t e e l fi b r o u s c o n c r e t e s p o s s e s s b e t t e r p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s t h a n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e , a n d t h e y h a v e o p e n e d u p a n e w c l a s s o f c o n s t r u c t i o n m a t e r i a l s . S e v e r a l a d v a n c e s h a v e r e c e n t l y b e e n m a d e i n u n d e r s t a n d i n g t h e m e c h a n i c s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t , t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d t h e c o n d i t i o n s t h a t e n h a n c e o r d e t e r i o r a t e t h e i r l o n g - t e r m s t a b i l i t y . T h e s e fi n d i n g s , t o g e t h e r w i t h t h e e x p e r i e n c e i n a c t u a l fi e l d a p p l i c a t i o n s o f t h e m a t e r i a l , a r e e x p e c t e d t o c r e a t e c o n fi d e n c e a n d f a c i l i t a t e d e v e l o p m e n t o f s t a n d a r d t e c h n i q u e s f o r m i x p r o p o r t i o n i n g , c o n s t r u c t i o n a n d d e s i g n w i t h f i b e r c o n c r e t e . T h e s e w i l l u n d o u b t e d l y l e a d t o i n c r e a s e d a p p l i c a t i o n s o f t h e m a t e r i a l . I n t h e 1 9 7 0 ' s r e s e a r c h o n fi b e r c o n c r e t e w a s h e a v i l y a i m e d a t s t a n d a r d i z i n g t h e a p p l i c a b l e t e s t t e c h n i q u e s a n d e s t a b l i s h i n g t h e b a s i c e n g i n e e r i n g p r o p e r t i e s o f t h e f r e s h a n d h a r d e n d e d m a t e r i a l ( e . g . w o r k a b i l i t y o f t h e f r e s h m i x , s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s i n t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n , i m p a c t r e s i s t a n c e , s h r i n k a g e a n d d u r a b i l i t y ) . T h i s m a j o r r e s e a r c h t r e n d o f t h e 1 9 7 0 ' s c o n t i n u e d t o b e v e r y i n t h e 1 9 8 0 ' s . H o w e v e r , t h e f o l l o w i n g r e s e a r c h a r e a s a l s o g a i n e d i n c r e a s i n g p o p u l a r i t y : ( a ) D e v l o p m e n t o f a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r p r e d i c t i n g t h e f r a c t u r e p r o c e s s a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e ; a n d ( b ) R e s o l v i n g p r a c t i c a l a n d t h e o r e t i c a l p r o b l e m s w i t h fi e l d a p p l i c a t i o n s o f t h e m a t e r i a l a n d e x p l o r i n g n e w a r e a s o f a p p l i c a t i o n . 2 1 3 W h e a t e n : T h e r e s u l t s o f a c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l s a n d s t r u c t u r a l a p p l i c a n t i o n s a r e p r e s e n t e d i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r s . T h e e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n d e d s t a t e s a r e p r e s e n t e d i n C h a p t e r 2 . S t e e l f i b e r t y p e s a r e c o m m e r c i a l l y p r o d u c e d i n a v a r i e t y o f f o r m s w i t h d e f o r m a t i o n s m e a n t t o i m p r o v e t h e i r m e c h a n i c a l b o n d i n g t o c o n c r e t e . A n e v a l u a t i o n o f d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s i s m a d e i n C h a p t e r 3 . T h e e f f e c t i v e n e s s o f s t e e l fi b e r i n c o n c r e t e s t r o n g l y d e p e n d s o n t h e m i x p r o p o r t i o n s o f t h e m a t r i x . T h e e f f e c t s o f s o m e b a s i c c o n c r e t e m i x t u r e v a r i a b l e s a n d t h e i n t r o d u c t i o n o f p o z z o l a n i c m a t e r i a l s ( fl y a s h a n d s i l i c a f u m e ) t o t h e m i x a r e d i s c u s s e d i n C h a p t e r s 4 a n d 5 , r e s p e c t i v e l y . T h e i n t r o d u c t i o n o f s t e e l f i b e r s t o c o n c r e t e i s e x p e c t e d t o m o d i f y t h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s o f t h e f r e s h a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h i s i s s u e i s t r e a t e d i n C h a p t e r 6 . A p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o p r i m a r y l o a d - b e a r i n g s t r u c t u r e s i s a p r o m i s i n g a r e a w h e r e s u c h r e s e a r c h i s n e e d e d b e f o r e s t e e l f i b e r c o n c r e t e c a n b e a c c e p t e d a s a n a l t e r n a t i v e t o c o n v e n t i o n a l l y r e i n f o r c e d c o n c r e t e . C h a p t e r s 7 a n d 8 a r e c o n c e r n e d w i t h t h e a p p l i c a t i o n s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o f o o t i n g a n d b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s , r e s p e c t i v e l y . A c r i t i c a l e v a l u a t i o n o f s o m e b a s i c 2 1 4 t h e o r e t i c a l c o n c e p t s w h i c h h a v e f o u n d p o p u l a r i t y i n a n a l y t i c a l t r e a t m e n t s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s p r e s e n t e d i n C h a p t e r 9 . C h a p t e r 1 0 s u m m a r i s e s t h e a c t i v i t i e s a n d fi n d i n g s o f t h i s r e s e a r c h p r o g r a m . s p e c i fi c c o n c r e t e m i x t u r e . 7 v 8 v 1 7 v 2 2 - 2 4 C H A P T E R Z r l l r i n f r m n h P r f r n W W W Z J J n t m d u s t l n n S t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t i s a n e f f e c t i v e t e c h n i q u e f o r o v e r c o m i n g t h e p r o b l e m s r e l a t e d t o t h e b r i t t l e n a t u r e o f c o n c r e t e f a i l u r e a n d i t s l o w t e n s i l e s t r e n g t h . T h e r e a r e t w o i m p o r t a n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s w h i c h d e c i d e t h e d e g r e e o f i m p r o v e m e n t s i n c o n c r e t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e a c h i e v e d b y f i b e r r e i n f o r c e m e n t : v o l u m e f r a c t i o n a n d l e n g t h - t o - d i a m e t e r ( a s p e c t ) r a t i o . " 1 0 G e n e r a l l y , t h e i n c r e a s e i n t h e v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o f fi b e r s , u p t o c e r t a i n l i m i t s , r e s u l t s i n i m p r o v e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s . B e y o n d t h e s e l i m i t s , h o w e v e r , a t r e l a t i v e l y h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s a n d / o r a s p e c t r a t i o s , p r o b l e m s w i t h f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d fi b e r b a l l i n g s t a r t t o d a m a g e t h e c o m p a c t i b i l i t y o f t h e fi b r o u s m i x a n d t h e u n i f o r m d i s p e r s i o n o f fi b e r s , t h u s a d v e r s e l y i n fl u e n c i n g t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s . 5 ' 8 ' 1 9 ' 2 0 C o n s i d e r i n g t h e s i m i l a r e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s , i t h a s b e e n p r o p o s e d t h a t t h e m u l t i p l i c a t i o n o f t h e s e t w o p a r a m e t e r s ( f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t i m e s a s p e c t r a t i o ) p r o v i d e s a s i n g l e v a r i a b l e r e p r e s e n t i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f a c e r t a i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t c o n d i t i o n i n a T h e w o r k r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r h a s b e e n c o n c e r n e d w i t h q u a n t i f y i n g t h e t r e n d s 2 1 5 2 1 6 i n t h e e f f e c t s o f s t e e l f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . T h i s o b j e c t i v e w a s a c h i e v e d t h r o u g h a c o m p r e h e n s i v e r e v i e w o f t h e a v a i l a b l e l i t e r a t u r e o n t h i s t o p i c a n d b y t h e p e r f o r m a n c e o f a n e x t e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y . W ] ! ! ! T h i s s e c t i o n p r e s e n t s t e s t r e s u l t s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e o n t h e e f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e f r e s h m i x a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . - 2 . 2 . a W W : W o r k a b i l i t y o f t h e f r e s h m i x d e c i d e s t h e e a s e o f h a n d l i n g , p l a c i n g , c o m p a c t i n g a n d fi n i s h i n g o f t h e m i x ( w i t h a m i n i m u m l o s s o f h o m o g e n i t y ) , i t s s t a b i l i a f y a n d , t h e r e f o e r e , t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e e r t i e s . W h e n fi b e r s a r e a d d e d t o a c e m e n t i t i o u s m a t r i x , t h e i r l o n g t h i n s h a p e a n d l a r g e s u r f a c e a r e a a u t o m a t i c a l l y r e d u c e t h e w o r k a b i l i t y o f t h e m i x . T h e s h a p e o f fi b e r s c r e a t e s i n t e r l o c k i n g , w h i c h s t i f f e n s t h e m a t r i x , w h e r e a s t h e i r l a r g e s u r f a c e a r e a a d s o r b s w a t e r i m m e d i a t e l y a n d r e s u l t s i n t h e r e d u c t i o n o f t h e f r e e w a t e r a v a i l a b l e f o r w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x . A n o t h e r f a c t o r d a m a g i n g t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h fi b r o u s m i x i s t h e i n t e r p a r t i c l e f r i c t i o n b e t w e e n fi b e r s a n d a g g r e g a t e s . T h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t d e p e n d s , i n l a r g e p a r t , o n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d fi b e r a s p e c t r a t i o . 1 . 4 - 9 . 1 6 . 1 9 - 2 2 . 2 5 , 2 6 I n r e g a r d t o t h e e f f e c t o f fi b e r a d d i t i o n o n w o r k a b i l i t y , i t s h o u l d b e m e n t i o n e d t h a t 2 1 7 a l t h o u g h f i b e r s b o n d t o g e t h e r a n d r e s i s t m o v e m e n t a n d a d s o r b p a r t o f t h e m i x i n g w a t e r i n a s t a t i c c o n d i t i o n , v i b r a t i o n r e s u l t s i n m o r e m o b i l i t y o f f i b e r s a n d r e l e a s e s t h e a d s o r b e d w a t e r . 1 6 H e n c e , a fi b r o u s m i x t h a t a p p e a r s v e r y s t i f f a n d u n w o r k a b l e m i g h t b e - p l a c e d a n d c o m p a c t e d e a s i l y u n d e r v m r a t i o n . 2 ' 4 - 5 v 3 v 1 6 ' 2 2 B e c a u s e o f t h e d i s t i n c t p r o p e r t i e s o f s t e e l s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a c o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n t o f i t s w o r k a b i l i t y c a n n o t b e a c h i e v e d t h r o u g h t h e s l u m p t e s t w h i c h i s p o p u l a r l y a p p l i e d t o c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . 4 ' 2 6 S t i f f n e s s o f t h e fi b r o u s m i x i n s t a t i c c o n d i t i o n s r e s u l t s i n r e l a t i v e l y l o w s l u m p s . T h e s l u m p c a n n o t r e p r e s e n t t h e c a p a b i l i t y o f a fi b r o u s m i x t o c o m p a c t u n d e r v i b r a t i o n . 4 v 9 v 1 6 C o n s i d e r i n g t h e f a c t t h a t c o m p a c t i o n o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e i s n o r m a l l y c a r r i e d o u t b y v i b r a t i o n , t h o s e w o r k a b i l i t y t e c h n i q u e s t h a t i n v o l v e v i b r a t i o n a n d s h a k i n g o f t h e f r e s h m i x a r e m o r e a p p l i c a b l e t o fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a n d c o n c r e t e . S u c h t e s t s i n c l u d e t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d V e b e c o n s i s t o m e t e r t e s t s . H o w e v e r , s i n c e t h e s l u m p t e s t i s w i d e l y u s e d a n d v e r y c o n v e n i e n t f o r fi e l d a p p l i c a t i o n s i t i s s t i l l a p p l i e d t o t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f o r c h e c k i n g t h e c o n s i s t e n c y o f t h e m i x f r o m b a t c h t o b a t c h . 4 t 9 v 1 6 I n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t ( F i g u r e 2 . 1 . a ) i s d e v i s e d e s p e c i a l l y f o r fi b r o u s c o n c r e t e , a n d i t h a s f o u n d t o b e a n e f f e c t i v e m e a s u r e o f w o r k a b i l i t y t h a t i s a l s o c o n v e n i e n t f o r fi e l d u s e . 4 3 3 1 5 5 4 “ I n t h i s m e t h o d a n i n v e r t e d s l u m p m o l d i s l o o s e l y fi l l e d w i t h c o n c r e t e w i t h o u t c o m p a c t i o n . A n i n t e r n a l v i b r a t o r i s t h e n s t a r t e d , i n s e r t e d i n t o t h e c e n t r e o f t h e c o n e a n d a l l o w e d t o f a l l f r e e l y ( a p p r o x i m a t e l y a f e w s e c o n d s p l a c e m e n t . 5 . 8 , 1 9 , 2 0 2 1 8 b e i n g r e q u i r e d f o r i m m e r s i o n o f t h e v i b r a t o r ) . T h e v i b r a t o r i s h e l d v e r t i c a l l y w i t h i t s e n d j u s t r e s t i n g o n t h e b o t t o m o f t h e b u c k e t . T h e t i m e f o r t h e i n i t i a l i m m e r s i o n o f t h e v i b r a t o r u n t i l l t h e s l u m p m o l d i s e m p t y i s r e c o r d e d a s t h e t e s t t i m e . T h e t e s t p r i m a r i l y m e a s u r e s t h e m o b i l i t y o r fl u i d i t y o f t h e m i x a n d t a k e s i n t o a c c o u n t t h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e s i z e , s h a p e a n d g r a d a t i o n , c e m e n t c o n t e n t , a d m i x t u r e s a n d s u r f a c e f r i c t i o n o f f i b e r s . 4 ' 9 l 1 6 T h e B r i t i s h s t a n d a r d V e b e t e s t ( F i g u r e 2 . 1 . b ) 5 . 8 . 1 9 . 2 0 . 2 5 i s a n o t h e r w a y t o d e t e r m i n e w o r k a b i l i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e p r o c e d u r e o f V e b e t e s t i s s i m i l i a r t o t h a t o f i n v e r t e d s l u m p c o n e , e x c e p t t h a t v i b r a t i o n i s a p p l i e d e x t e r n a l l y t h r o u g h a v i b r a t i o n t a b l e o n w h i c h t h e s l u m p c o n e i s i n s t a l l e d i n a c y l i n d r i c a l m o l d . T h e s l u m p c o n e i s fi l l e d s i m i l a r t o t h e p r o c e d u r e o f t h e s t a n d a r d s l u m p t e s t , t h e v i b r a t i n g t a b l e i s t h e n s t a r t e d a n d t h e t i m e n e e d e d f o r t h e c o n c r e t e t o r e m o l d ( w i t h a f l a t s u r f a c e ) i n t h e c y l i n d r i c a l m o l d i s t h e V e b e t i m e . M a n y i n v e s t i g a t o r s s r 7 ' 8 ' 1 9 ' 2 0 ' 2 5 ' 2 6 h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e V e b e t e s t i s q u i t e c a p a b l e o f s i m u l a t i n g t h e c o m p a c t i o n o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y v i b r a t i o n i n p r a c t i c e . I t i s a p p l i c a b l e t o m o r t a r a n d c o n c r e t e a n d i t a l s o t a k e s a c c o u n t t h e e f f e c t o f a g g r e g a t e s h a p e , g r a d a t i o n , a i r c o n t e n t , a d m i x t u r e e f f e c t , a n d s u r f a c e f r i c t i o n o f fi b e r s . T h e V e b e t i m e c a n i d e n t i f y q u i t e p o s i t i v e l y a c r i t i c a l fi b e r v o l u m e f o r a g i v e n fi b e r t y p e w i t h a s p e c i fi e d g e o m e t r y a b o v e w h i c h c o m p a c t i o n i s u n l i k e l y t o b e p o s s i b l e u s i n g n o r m a l s i t e c o m p a c t i o n p r o c e d u r e s . 5 ' 7 ' 8 ' 1 9 2 0 3 5 2 6 T h e d i f fi c u l t y w i t h V e b e t e s t a p p a r a t u s i s t h a t i t i s n o t c o n v e n i e n t f o r fi e l d p l y w o o d s t e e l b u c k e t _ _ . ’ . F i g u r e 2 . 1 : 2 1 9 a . I n v e r t e d s l u m p c o n e a p p a r a t u s p r e v i o u s l o c a t i o n o f s l u m p c o n e t r a n s p a r e n t p l a s t i c d i s k c o l l a p s e d c o n c r e t e c o n e s t e e l b u c k e t e x t e r n a l v i b r a t o r b . V e b e a p p a r a t u s i n v e r t e d s l u m p c o n e f r e s h f i b r o u s c o n c r e t e 2 2 0 B o t h t h e V e b e a n d t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t t e c h n i q u e s h a v e s h o r t c o m i n g s w h e n a p p l i e d t o fi b e r c o n c r e t e . F o r s t i f f m i x t u r e s b o t h o f t h e s e t e c h n i q u e s l a c k a n e n d p o i n t , 5 " ' 1 6 ' 1 9 ' 2 o t h a t i s e x c e s s i v e l y l a r g e t i m e s a r e h e e d e d f o r r e m o l d i n g s t i f f m i x e s a n d t h e r e s u l t s d o n o t i n d i c a t e t h e r e l a t i v e w o r k a b i l i t y o f t h e s e m i x e s . A l s o n e i t h e r o f t h e s e t e s t i s a p p l i c a b l e t o v e r y fl o w a b l e c o n c r e t e s . 5 v 1 6 v 1 9 - 2 0 T h e r e m a i n d e r o f t h i s s e c t i o n d e a l s w i t h t h e b a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y ( m e a s u r e d b y e i t h e r o f t e c h n i q u e s d e s c r i b e d a b o v e ) a s i n f l u e n c e d b y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . B a s e d o n a c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y , R e f e r e n c e 1 9 h a s c o n c l u d e d t h a t t h e s l u m p o f f r e s h fi b e r m i x e s d e c r e a s e s a n d t h e i r V e b e t i m e i n c r e a s e s p r o p o r t i o n a l l y w i t h t h e i n c r e a s e i n a s p e c t r a t i o a n d s q u a r e r o o t o f v o l u m e f r a c t i o n , a n d p r o p o r t i o n a l l y w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e p o w e r t w o o f a s p e c t r a t i o a n d v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s o f t h e s a m e t y p e , r e s p e c t i v e l y , ( s e e F i g u r e 2 . 2 ) n o t i n g t h a t a l o w e r V e b e t i m e r e p r e s e n t s b e t t e r c o m p a c t i b i l i t y u n d e r v i b r a t i o n . A t t h e s a m e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o , t h e l i m i t e d t e s t d a t a o f R e f e r e n c e 1 9 i n d i c a t e t h a t c r i m p e d fi b e r s r e s u l t i n m o r e w o r k a b l e m i x e s ( w i t h h i g h e r s l u m p s a n d l o w e r V e b e t i m e s ) t h a n s t r a i g h t r o u n d , d u o f o r m a n d h o o k e d s t e e l f i b e r s ( s e e F i g u r e 2 . 3 ) . R e f e r e n c e 5 p r o v i d e s f u r t h e r e v i d e n c e o f t h e a d v e r s e e f f e c t s o f t h e i n c r e a s e i n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f r e s h m i x V e b e t i m e ( s e e F i g u r e 2 . 4 ) . A s s u m i n g a 2 2 1 2 0 - l ( l / d ) v a ' f e 1 0 - l . D i f f e r e n t S t e e l F i b e r T y p e s o S l u m p ( i n ) I I j ' 0 " 8 1 2 a . S l u m p . 1 i n . . 2 5 . 4 m m F i g u r e 2 . 2 : E f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t - r o u n d fi b e r s . 1 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 6 0 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 5 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 7 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . b . V e b e t i m e 2 2 2 ( 1 / d ) 2 v f B O O - fl 1 . C l 4 0 0 - d 3 0 0 - 1 D i f f e r e n t S t e e l 2 0 0 _ . F i b e r T y p e s 1 . 1 0 0 - I O V e b e T i m e I I I I ( s g c ) O 1 0 2 0 3 O 4 0 2 2 3 a s p e c t r a t i o 1 5 0 _ ( . s t r a i g h t r o u n d ‘ d u o f o r m I h o o k e d L . c r i m p e d 1 0 0 — 5 0 - 2 l l S l u m p ( i n ) a . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m F i g u r e 2 . 3 : E f f e c t s o f fi b e r t y p e o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a t a fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 5 % a n d d i f f e r e n t fi b e r a s p e c t r a t i o s . 1 9 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = - 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . 2 2 4 a s p e c t r a t i o 1 5 0 - I , , ’ o A A , ’ I I I I I I 1 0 0 “ 5 0 — - . s t r a i g h t r o u n d A d u o f o r m I h o o k e d { . . c r i m p e d 0 o l I l V e b e t i m e 1 0 2 0 3 0 ( S e c . ) b . V e b e t i m e _ ' 2 9 Q ( 1 - l / g ) A d V W f h ( % ) _ < ‘ : e r e ( 2 . 1 ) 2 2 5 m a x i m u m V e b e t i m e o f 2 0 s e c o n d a s t h e a c c e p t a b l e l i m i t f o r r e l a t i v e l y e a s y c o m p a c t i o n , F i g u r e 2 . 4 i n d i c a t e s t h a t a n a s p e c t a t r a t i o o f 1 0 0 , a m a x i m u m f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 7 % c a n b e i n c o r p o r a t e d i n t o m o r t a r . A s i m p l e e m p i r i c a l e q u a t i o n i s g i v e n i n R e f e r e n c e 5 f o r a p p r o x i m a t e l y e s t i m a t i n g t h e m a x i m u m fi b e r v o l u m e f r a c t i o n t h a t c a n b e i n c o r p o r a t e d i n c o n c r e t e m a t r i c e s c o n t a i n i n g a g g r e g a t e o f n o r m a l d e n s i t y : V f = fi b e r v o l u m e f r a c t i o n i n t h e c o n c r e t e m a t r i x w h i c h c a n b e c o m p a c t e d w i t h n o r m a l fi e l d t e c h n i q u e s ; A 9 = v o l u m e f r a c t i o n o f c o a r s e a g g r e g a t e s ( p a r t i c l e s i z e g e a t e r t h a n 5 m m . 3 / 1 6 i n ) o f t h e t o t a l v o l u m e o f t h e c o n c r e t e ; l - l e n g t h o f fi b e r s ; a n d d = - ( n o m i n a l ) d i a m e t e r o f fi b e r s . T h e e f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e V e b e t i m e a n d s l u m p o f f r e s h s t e e l f i b r o u s m i x e s o f R e f e r e n c e s 2 6 a r e s h o w n i n F i g u r e s 2 . 5 . a a n d 2 . 5 . b , r e s p e c t i v e l y . i t c a n b e n o t e d f r o m F i g u r e 2 . 5 t h a t i n c r e a s i n g t h e v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s t e n d s t o d a m a g e t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . F i g u r e 2 . 4 : E f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o a n d v o l u m e f r a c t i o n o n V e b e t i m e o f s t e e l 7 0 6 0 - 5 0 . . 4 0 . . . 3 0 . . 2 0 . . . 1 0 . . V e b e T i m e ( s e c ) 2 2 6 F i b e r A s p e c t 2 5 3 1 5 2 1 0 0 7 3 6 6 ” F m ( 1 ’ 5 ) S t r a i g h t R o u n d F i b e r s r l l l - 1 2 3 4 F i b e r V o l u n e F r a c t i o n V f ( % ) f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 5 0 S t r a i g h t R o u n d F i b e r s F i b e r V o l u m e F r a c t i o n 2 2 7 V e b e T i m e 3 0 . . ( S e c ) : i % T l o l 2 V : m a . V e b e t i m e S l u m p ( i n ) 1 - o 5 q E E f f E E S E E E E E E E E E E E ; ; ; ; Q ; ; ; ; ; ; 0 ' S t r a i g h t R o u n d F i b e r s F i b e r V o l u m e F r a c t i o n 1 1 v ( z ) o 1 2 f b . S l u m p . 1 i n - 2 5 . 4 m m F i g u r e 2 . 5 : E f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 6 2 2 8 T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n R e f e r e n c e 1 7 i n d i c a t e s t h a t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n V e b e t i m e a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( V , W ) i s n o t u n i q u e , b u t d e p e n d s o n fi b e r g e o m e t r y ( s e e F i g u r e 2 . 6 . a ) . A c c o r d i n g t o t h i s r e f e r e n c e , f o r e a c h f i b e r l e n g t h , a n e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p c a n b e d e r i v e d t o r e p r e s e n t t h e V e b e t i m e a s a d e c r e a s i n g f u n c t i o n o f fi b e r s p a c i n g ( s e e F i g u r e 2 . 6 . b ) , w i t h f i b e r s p a c i n g ( f r o m R e f e r e n c e 1 0 s p a c i n g = 1 3 . 8 d ( 1 N f ( ° / o ) ) o ' 5 ) r e p r e s e n t i n g t h e a v e r a g e d i s t a n c e b e t w e e n f i b e r c e n t r o i d s . F i g u r e 2 . 6 . c f u r t h e r s h o w s t h a t a t a c o n s t a n t fi b e r s p a c i n g ( i . e . f o r a g i v e n d i a m e t e r a n d v o l u m e f r a c t i o n o f fi b e r s ) , t h e V e b e t i m e i n c r e a s e s l i n e a r l y w i t h i n c r e a s i n g fi b e r l e n g t h , a n d t h e r a t e o f i n c r e a s e i s h i g h e r a t s m a l l e r v a l u e o f fi b e r s p c i n g ( c o r r e s p o n d i n g t o s m a l l e r fi b e r d i a m e t e r s ) . B e s i d e s V e b e t i m e , t h e o t h e r c o m m o n m e a s u r e o f f r e s h f i b r o u s m i x c o m p a c t i b i l i t y u n d e r v i b r a t i o n i s t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e . 9 ' 2 7 T h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e i s g e n e r a l l y l o n g e r t h a n t h e V e b e t i m e , b u t t h e i n fl u e n c e o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s o n t h e V e b e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s a r e e x p e c t e d t o s h o w s i m i l a r t r e n d s . T h e t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . 7 a r e r e p r e s e n t a t i v e o f t h e p r o p o r t i o a l i t y o f t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d V e b e t i m e s . 8 R e f e r e n c e 5 s u g g e s t s t h a t t h e l o n g t h i n fi b e r s w i t h a n a s p e c t r a t i o g r e a t e r t h a n 1 0 0 t e n d t o i n t e r l o c k a n d f o r m a m a t , f r o m w h i c h i t i s v e r y d i f fi c u l t t o d i s p e r s e i n c o n c r e t e m a t r i c e s . S h o r t s t u b b y fi b e r s w i t h a s p e c t r a t i o s l e s s t h a n 5 0 , h o w e v e r , a r e n o t a b l e t o i n t e r l o c k a n d c a n e a s i l y b e d i s p e r s e d b y v i b r a t i o n . s 2 2 9 F i b e r F i b e r V o l u m e V e b e T i m e D i a m e t e r F r a c t i o n V ( 2 ) ( S e c ) ( 1 “ ) f 2 0 _ # . , 0 . 0 1 8 1 . 9 . . . . . . . . , ‘ L 0 . 0 2 8 2 . 4 _ O — I 0 ' 0 3 6 1 0 9 _ . . _ o 0 . 0 2 4 1 . 1 S t r a i g h t R o u n d F i b e r s F i b e r A s p e c t R a t i o ( l / d ) 1 5 0 a . F i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x V e b e T i m e ( s e c ) 2 0 - S t r a i g h t R o u n d F i b e r s F i b e r L e n g t h 2 1 . 5 \ . § 0 — O - o — 1 - — - . . . . 0 F i b e r S p a c i n g 0 l i l l i ( i n ) 0 2 a 6 8 1 0 b . F i b e r s p a c i n g a t d i f f e r e n t fi b e r l e n g t h s F i g u r e 2 . 6 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d fi b e r s p a c i n g o n V e b e t i m e . 1 7 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 4 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o : - 1 . 3 0 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . 1 i n - 2 5 . 4 m m . S t r a i g h t R o u n d F i b e r O 1 1 c . F i b e r l e n g t h a t d i f f e r e n t fi b e r T 2 s s 7 F i b e ( r i L ) n e n g t h p a c i n g 1 0 ~ — 2 3 0 V e b e T i m e ( s e c ) F i b e r S p a c i n g ( i n ) F fi i b g e u r r e r e 2 i . n 7 f : o C c o e r d r r e l a c o n t c i r o e n t b e e w t w e e n i t h d i f f t e h r e e i t n n v e r m a t t r e i d x s m l i u x m p p r c o p o o n r e t i a o n d V e b e t i m e s f o r s t e e l n s . 8 2 3 1 V e b e T i m e . t v ( S e c ) 1 0 - t v - 0 . 6 3 t i - 2 . 4 5 5 . . 0 - I n v e r t e d S l u m p I I l 1 C o n e T i m e . t 1 0 S 1 0 1 5 2 0 ( 8 9 C ) C o n s i d e r i n g t h e d e s i r e a b l e e f f e c t s o f r e d u c i n g t h e a s p e c t r a t i o o f fi b e r s i n f r e s h c o n c r e t e m a t r i c e s , a t e c h n i q u e i n v o l v i n g t h e u s e o f w a t e r s o l u a b l e g l u e t o p r o d u c e fi b e r b u n d l e s h a s b e e n d e v e l o p e d . 8 T h e s e b u n d l e s h a v e l o w e q u i v a l e n t a s p e c t r a t i o s a n d t h u s g e n e r a t e d e s i r a b l e w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y a t t h e t i m e o f fi b e r a d d i t i o n t o t h e f r e s h m i x . D u r i n g t h e m i x i n g p r o c e s s , f o l l o w i n g t h e d i s p e r s i o n o f fi b e r b u n d l e s , t h e s o l u t i o n o f t h e g l u e r e s u l t s i n t h e s e p a r a t i o n o f i n d i v i d u a l fi b e r s w h i c h a r e d i s p e r s e d i n s i d e t h e m i x b y t h e c o n t i n u a t i o n o f t h e m i x i n g p r o c e s s . R e f e r e n c e 8 p r e s e n t e d t e s t r e s u l t s w h i c h a r e i n d i c a t i v e o f t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e d i s p e r s a b i l i t y o f h o o k e d fi b e r s r e s u l t i n g f r o m t h e u s e o f fi b e r b u n d l e s w i t h w a t e r s o l u a b l e g l u e . R e f e r e n c e 2 1 h a s s t u d i e d t h e e f f e c t s o f m i x i n g t i m e o n t h e s e p a r a t i o n o f i n d i v i d u a l 2 3 2 fi b e r s f r o m t h e b u n d l e s ( w i t h w a t e r s o l u a b l e g l u e ) i n s t e e l fi b e r c o n c r e t e . i t h a s b e e n c o n c l u d e d t h a t s h o r t e r m i x i n g t i m e s a r e n o t e f f e c t i v e i n d i s p e r s i n g t h e i n d i v i d u a l fi b e r s ( w h i c h r e s u l t f r o m t h e s o l u t i o n o f t h e g l u e b i n d i n g t h e b u n d l e s ) . T o t a l s e p a r a t i o n o f t h e fi b e r s i s r e q u i r e d f o r u t i l i z i n g t h e a d v a n t a g e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t . F i g u r e 2 . 8 ( R e f e r e n c e 2 1 ) s h o w s t h e s h o r t m i x i n g t i m e s r e s u l t i n b e t t e r w o r k a b i l i t y o f t h e m i x r e fl e c t i n g t h e i n c o m p l e t e s e p a r a t i o n o f f i b e r s . R e f e r e n c e 2 1 a l s o s u g g e s t s t h a t 1 5 t o 2 0 m i n u t e s o f m i x i n g t i m e i s r e q u i r e d f o r f u l l s e p a r a t i o n o f fi b e r b u n d l e s . 2 . 2 . b fl m L a L B e n a n g r ; T h e i m p r o v e m e n t s i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r r e i n f i r c e m e n t ( s e e F i g u r e 2 . 9 . a ) 5 d e p e n d o n t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d t h e g e o m e t r y o f fi b e r s . A s s h o w n i n F i g u r e 2 . 9 . b , 1 t h e i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h p e r u n i t v o l u m e o f fi b e r s e e m s t o b e h i g h e r f o r fi b e r s w i t h a s p e c t r a t i o s . 1 F r o m F l g u r e 2 . 9 . c , 1 w h i c h r e p r e s e n t s t h e e f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n fl e x u r a l s t r e n g t h , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e r e i s a r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n t h e t e s t d a t a , p e r h a p s i n d i c a t i n g t h a t o t h e r f a c t o r s l i k e fi b e r l e n g t h o r d i a m e t e r a l s o m i g h t i n f l u e n c e t h e r e s u l t s . A n o t h e r c o n c l u s i o n f r o m F i g u r e 2 . 9 . c i s t h a t b e y o n d a c e r t a i n a s p e c t r a t i o , a t a s p e c i fi c fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , t h e p r o b l e m s w i t h f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d fi b e r d i s p e r s a b i l i t y s t a r t t o d a m a g e t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e . 1 . 5 F u u - - K . a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . 4 m m 2 3 3 S l u m p ( i n ) 7 . 1 6 - T ’ s - ‘ - H o o k e d S t e e l F i b e r s 3 - i I I I o 5 1 ° 1 5 M i x i n g T i m e ( m i n ) V e b e T i m e ( s e c ) 4 0 - 2 0 ' - / H o o k e d S t e e l F i b e r s M i x i n g T i m e 0 I T j I ( m i n ) 0 5 1 0 1 5 2 0 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e F i g u r e 2 . 8 : T y p i c a l e f f e c t s o f m i x i n g t i m e o n s l u m p a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f f r e s h fi b r o u s m i x t u r e s w i t h c o l l a t e d s t e e l fi b e r s . 2 1 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 0 ) . 2 3 4 T h e c o m b i n e d e f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n c o n c r e t e f l e x u r a l s t r e n g t h a r e s h o w n i n F i g u r e 2 . 9 . d . 1 A l t h o u g h t h e r e i s a d e fi n i t e t e n d e n c y i n fl e x ' u r a l s t r e n g t h t o i n c r e a s e w i t h t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( V , W ) , b u t t h e r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r i n t e s t r e s u l t s o f F i g u r e 2 . 9 . d s u g g e s t s t h a t V f a n d V d a r e n o t n e c e s s a r i l y t h e o n l y fi b e r r e r i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s i n f l u e n c i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f f i b e r c o n c r e t e . T h i s s c a t t e r i s f u r t h e r e v i d e n t i n F i g u r e 2 . 9 . 9 1 w h i c h p r e s e n t s e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x d e r i v e d b y d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r s . R e f e r e n c e 2 6 h a s s t u d i e d t h e e f f e c t o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e r e s u l t s s h o w d r a m a t i c i m p r o v e m e n t i n fl e x u r a l s t r e n g t h w i t h i n c r e a s i n g fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( s e e F i g u r e 2 . 1 0 ) . i n a d d i t i o n t o i n c r e a s i n g t h e fl e x u r a l s t r e n g t h , a c o s i d e r a b l e i n c r e a s e i n e n e r g y , a b s o r b t i o n c a p a c i t y i s a l s o i m p a r t e d b y s t e e l fi b e r s . F i g u r e s 2 . 1 1 . a a n d 2 . 1 1 . b s h o w t h a t t h e a r e a s u n d e r n e a t h t h e fl e x u r a l l o a d d e fl e c t i o n c u r v e ( f o r t h e c o m p l e t e c u r v e , a n d u p t o t h e p e a k l o a d , r e s p e c t i v e l y ) t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . 1 . 5 C o n s i d e r i n g t h e s c a t t e r i n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n ( V , I / d ) a n d fl e x u r a l p r o p e r t i e s o f fi b e r c o n c r e t e , s o m e i n v e s t i g a t o r s h a v e s u g g e s t e d t h e r e l a t i o n s h i p b . E f f e c t s o f v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o f c i r c u l a r fi b e r s ( w a t e r - c e m e n t - 2 3 5 F l e x u r a l L o a d P ( K i p s ) 4 . - F i b r o u e C o n c r e t e P l a i n V f ' 1 ° 5 1 C o n c r e t e l / d - 1 0 0 S t r a i g h t R o u n d 2 F i b e r s 4 i n [ 5 1 6 i n 4 i n 0 . . I I l l T ‘ I D e f l : : ; i o n 0 0 . 0 1 . 0 . 0 2 0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 a . P l a i n v s . f i b r o u s c o n c r e t e I n c r e a s e i n F l e x u r a l 1 6 0 - : S t r e n g t h p e r u n i t V o l u m e o f F i b e r s ( Z ) F i z z i i z z l s m e ( 2 ) f 1 . 7 5 2 . 5 3 0 - S t r a i g h t R o u n d F i b e r s 0 F i b e r A s p e c t R a t i o I I I T ' I I ( l / d ) 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 0 . 4 5 - 0 . 6 5 , a n d fi b e r d i a m e t e r - 0 . 0 1 8 . 0 . 0 6 4 i n ) F i g u r e 2 . 9 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s o n t h e fl e x u r a l b e h a v i o r o f fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a n d c o n c r e t e . 1 ' 5 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N , 1 K s i - 6 . 9 N / m m z . 2 3 6 I n c r e a s e i n F l e x u r a l S t r e n g t h 0 . . . . O 3 0 - p e r U n i t V o l u m e o f F i b e r s O ( 1 ) . ‘ 3 ' - . 7 0 - ‘ . . ' l . . 1 l . 6 0 . . l . C C . ’ l . 5 0 " ‘ : ' e C l 4 0 . . . e I l l . C l C 3 0 - . 0 C l 2 ° ‘ e . e . D i f f e r e n t F i b e r T y p e s 1 0 . . O 1 . 0 l i l l l l l l l l l 0 2 0 4 0 6 0 3 0 1 0 0 1 2 0 F i b e r A s p e c t R a t i o ( l / d ) c . E f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o 2 3 7 I n c r e a s e i n F l e x u r a l S t r e n g t h 2 0 0 - ( I ) 1 . C l 1 5 0 ‘ - O i O i C H . 1 0 0 " ‘ . e 0 . l . . , l . 5 0 " ‘ . i I f g 0 D i f f e r e n t F i b e r . . 0 T y p e s . . l . ° l l 0 l 2 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) d . E f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( m o r t a r ) 1 5 0 . 1 I n c r e a s e i n u r a l S t r e n g t h F l ( e Z x ) 5 0 ' - ' i F i b e r e . S c a t t e r i n t h e I : “ . " / / S t r a i g h I n d e x V f ( l t e r r e i n f o r c e t l m R e e f i n f o r c e m f e c t o f f e i n b S m o o t h F b e r s i I 2 / d ) e n t i n d e x ( c o n c r e t e ) 2 3 8 1 0 0 . — 2 3 9 I n c r e a s e i n F l e x u r a l S t r e n g t h ( 2 ) 4 0 - ' 2 0 ' — S t r a i g h t R o u n d F i b e r s F i b e r L e n g t h I 3 . 1 i n 0 F i b e r D i a m e t e r - 0 . 0 2 i n l l 0 l 2 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v 1 , ( 2 ) F i g u r e 2 . 1 0 : I n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h i n c r e a s i n g fi b e r v o l u m e f r a c t i o n w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 6 t m . 2 s 4 m m F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) m m F l e x u r a l T o u g h n e s s ( E n e r g y A b s o r p t i o n / P r e - C r a c k i n g E n e r g y A b : c r p t i o n ) 3 0 - d l . 2 0 " A ; A t 0 ' 1 0 " ‘ L S t r a i g h t R o u n d F i b e r s A O M o r t a r A A C o n c r e t e 0 | l I 0 1 2 3 . B a s e d o n t o t a l a r e a ( c o n c r e t e m i x e s : w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 6 , a g g r e g a t e c e m e n t r a t i o . 5 . 0 a n d fi n e - t o — c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 0 . 6 7 ; a n d m o r t a r m i x e s : w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 5 a n d s a n d - c e m e n t r a t i o = 2 . 4 ) F i g u r e 2 . 1 1 : I n fl u e n c e o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x o n t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s . 1 ' 5 1 i n - 2 5 . 4 m m . F i b . B a s e d o n a r e e b a r u R p e t i o n f p o e r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) a k l o a d ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 2 . 4 ) 2 4 1 F l e x u r a l T o u g h n e s s 2 0 - ( E n e r g y A b s o r p t i o n / P r e - C r a c k i n g E n e r g y A b s o r p t i o n ) S t r a i g h t R o u n d F i b e r s 2 4 2 b e t w e e n fi b e r a s p e c t r a t i o a n d fl e x u r a l p r o p e r t i e s i s d e p e n d e n t o n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d fi b e r d i a m e t e r . 3 ' 1 7 F o r e x a m p l e , F i g u r e 2 . 1 2 . a ( f r o m R e f e r e n c e 1 7 ) i n d i c a t e s t h a t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n fl e x u r a l s t r e n g t h a n d a s p e c t r a t i o d i f f e r s d e p e n d i n g o n t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d fi b e r d i a m e t e r . T h e fl e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 2 . b 3 a l s o i n d i c a t e t h a t t h e i n c r e a s e i n a s p e c t r a t i o ( a t r e s o n a b l e w o r k a b i l i t i e s ) d o e s n o t n e c e s s a r i l y i m p r o v e t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 S h o r t e r fi b e r s h a v i n g h i g h e r a s p e c t r a t i o s m i g h t a c t u a l l y h a v e i n f e r i o r fl e x u r a l p r o p e r t i e s w h e n c o m p a r e d w i t h l o n g e r : fi b e r s o f l o w e r a s p e c t r a t i o s , f o r s i m i l a r fi b e r t y p e s a n d v o l u m e f r a c t i o n s . 3 T h e d a t a p r e s e n t e d i n R e f e r e n c e 2 2 o n h o o k e d fi b e r s a l s o c o n fi r m s t h a t a t a c o n s t a n t a s p e c t r a t i o a n d v o l u m e f r a c t i o n , s h o r t e r f i b e r s t e n d t o b e l e s s e f f e c t i v e i n i m p r o v i n g t h e fl e x u r a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . F i b e r t y p e i s a n o t h e r i m p o r t a n t f a c t o r i n f l u e n c i n g t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f fi b e r c o n c r e t e . 1 r 3 v 4 v 2 8 T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o f d i f f e r e n t fi b e r t y p e s o n fl e x u r a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a r e , t h u s , e x p e c t e d t o b e d i f f e r e n t . F i g u r e 2 . 1 3 . a p r e s e n t s t h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( u p t o 3 / 8 i n = 1 0 m m c e n t r a l d e fl e c t i o n o f 4 x 4 x 2 0 i n = 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m s p e c i m e n s o f t w o m o n t h s o f a g e l o a d e d a t o n e t h i r d p o i n t s ) 2 3 o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h h o o k e d a n d c r i m p e d f i b e r s a l l h a v i n g a n a s p e c t r a t i o o f 1 0 0 . F i g u r e s 2 . 1 3 . b a n d 2 . 1 3 . c p r o v i d e f u r t h e r e v i d e n c e i n d i c a t i n g t h a t t h e e f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y a r e d e p e n d e n t o n t h e t y p e s o f s t e e l fi b e r s . 3 v 2 3 o . / “ " " " " " " ' " 0 . 0 0 0 2 4 3 M o d u l u s o f R u p t u r e 1 . 9 1 . 1 0 . 0 1 3 0 - 0 1 1 2 . 4 0 . 0 2 8 / ° 1 . 1 1 . 9 . / ’ 0 . 0 2 4 / , 0 . 0 3 6 . ' S t r a i g h t R o u n d F i b e r s / . . ' . / F i b e r V o l u m e F r a c t i o n V f ( Z ) . 3 ’ 5 ‘ : F i b e r D i a m e t e r . d ( i n ) - 3 / J E I / 0 . 0 9 l l T o . 1 0 0 2 0 0 3 0 0 F i b e r A s p e c t R a t i o ( l / d ) a . S t r e n g t h 1 7 F i g u r e 2 . 1 2 : E f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n fl e x u r a l p r o p e r t i e s a t d i f f e r e n t f i b e r d i a m e t e r s ( l e n g t h ) . 3 - ‘ 7 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K i p . . 4 . 5 K N 2 4 4 L o a d ( K i p s ) 6 - — / ’ ~ - \ ~ \ _ ’ — - ~ \ D u o f o r m F i b e r s / \ / \ \ / ‘ x ’ ‘ - ‘ 2 e 3 2 , O e O Z S ’ 9 2 a - l 1 . ‘ \ . - - — ° \ . I \ . ’ ' , " " " " \ 2 . 3 2 , 0 . 0 3 0 , 7 9 I - - - - ° ' \ 0 . ' ; : . . _ , . . _ _ u - — . . . . _ . . — 1 . 0 0 , 0 . 0 1 0 , 1 0 0 l 2 _ , I ' 0 . 0 . . . l - - - - - . 0 . 9 0 , 0 . 0 1 5 , 6 0 l I P l a i n F i b e r L e n g t h ( i n ) . D i a m e t e r ( i n ) . A s p e c t R a t i o F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . V f - 1 . 5 2 ° l 1 F I l 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 C e n t r a l D e f l e c t i o n ( i n ) b . L o a d - d e f l e c t i o n c u r v e . 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) , c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) T o t a l E n e r g y A b s o r p t i o n / P l a i n C o n c r e t e E n e r g y A b s o r p t i o n F i b e r o V f v l ( u 2 m ) e F r a c t i o n a . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 2 3 2 4 5 3 0 . . / ‘ H o o k e d 2 x 0 . 0 2 f / C r i m p e d F i b e r T y p e 2 x 0 . 0 2 L e n g t h ( i n ) x D i a m e t e r ( i n ) 2 0 1 - 1 0 I I I I ’ — l 1 . 5 F i g u r e 2 . 1 3 : E f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . 3 ' 2 3 1 i n s 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i . 6 . 9 N / m m 2 F l e x 2 . 0 . 1 1 . 0 " ‘ I u . r a l S t r e n g t h / P l a i n n c r e t e F C o . i J e . l D o u e o x o ’ k u f 1 / A / l m a r , d e o ’ r / S t r e n t h - R o u n d S t C r r a i i m g p h e t d r F T i y b p e e - - - - I . I A . H C S D o r t u o i r o . k m a f e p i o d e g r h d m 5 . 1 0 t - R o u n d 0 O I 0 1 0 I 5 0 1 F i b e r t A ( s l p / e d c ) R a t i o 2 4 6 b . F l e x u r a l s t r e n g t h . 3 ( V f = 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n = 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) E n e r g y A b s o r p t i o n / P l a i n C o n c r e t e E n e r g y A b s o r p t i o n 2 4 7 6 0 - < . D u o f o r m H o o k e d F i b e r 0 T y p e O 4 0 . _ 1 ’ / / 0 S t r a i g h t - R o u n d . . 0 / / ' A C r i m p e d y ) " - 2 0 _ j / q . H o o k e d / / ' / I C r i m p e d A S t r a i g h t - R o u n d O D u o f o r m F i b e r A s p e c t R a t i o 0 I I I ( 1 / 0 ) 0 5 0 1 0 0 1 5 0 c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . 3 ( V , = 1 . 5 % , - w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c e n t r a l l y l o a d e d s p e c i m e n s o f 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n a 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) 2 4 8 2 . 2 . c W R e i n f o r c e m e n t o f c o n c r e t e a n d m o r t a r b y r a n d o m l y o r i e n t e d s h o r t s t e e l f i b e r s i m p r o v e s t h e i r c o m p r e s s i v e d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y ( F i g u r e 2 . 1 4 ) . 2 1 2 9 S t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a l s o h a s a s l i g h t l y h i g h e r s t r e n g t h t h a n p l a i n c o n c r e t e ( F i g u r e 2 . 1 4 . a ) . 2 9 T h i s , h o w e v e r , i s n o t a l w a y s t r u e i n t h e c a s e o f fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r ( F i g u r e 2 . 1 4 . b ) . 2 A n i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n l e a d s t o i m p r o v e m e n t s i n p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n ( F i g u r e 2 . 1 4 ) . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a l s o i n c r e a s e s w i t h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , b u t t h a t o f m o r t a r m a y s t a y c o n s t a n t o r e v e n d e c r e a s e s . 2 ' 2 9 ' 3 1 F o r b o t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d m o r t a r , t h e r e i s a n u p p e r l i m i t o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , b e y o n d w h i c h h i g h e r fi b e r c o n t e n t s t e n d t o a d v e r s e l y i n fl u e n c e t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s , t h e d a m a g e h a s b e e n c o n s i s t e n t l y c o r r e l a t e d w i t h t h e r e d u c t i o n i n d e n s i t y o f t h e m a t e r i a l . 2 T h e d a m a g e t o m a t e r i a l p r o p e r t i e s a t e x c e s s i v e fi b e r c o n t e n t s i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 5 . T h i s fi g u r e i n d i c a t e s t h a t t h e t o u g h n e s s i n d e x o f s t e e l fi b e r f i r s t i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s w i t h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( t o u g h n e s s i n d e x i s d e f i n e d h e r e a s t h e r a t i o o f fi b e r c o n c r e t e e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y t o t h a t o f p l a i n c o n c r e t e ) . R e f e r e n c e s 2 6 a n d 3 1 h a v e g e n e r a t e d t e s t r e s u l t s o n t h e e f f e c t s fi b e r v o l u m e t r a c t i o n o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d m o r t a r . T h e r e s u l t s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 6 2 6 v 3 1 i n d i c a t e t h a t t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n c r e a s e s w h i l e t h a t o f m o r t a r d e c r e a s e s s l i g h t l y w i t h t h e i n c r e a s e i n v o l u m e f r a c t i o n o f n ; 2 4 9 S t r e s s ( K s i ) 8 H o o k e d S t e e l F i b e r s 1 . 2 x 0 . 0 2 i n - l l / d - 6 0 6 . - F i b e r V o l u m e F r a c t i o n , V f ( Z ) 3 4 q 2 2 . . . 0 1 0 I l l S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) 0 S 1 0 1 5 a . C o n c r e t e . 2 9 _ ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 6 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 6 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = - 1 2 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 4 x 8 i n ( 1 0 0 x 2 0 0 m m ) o f 1 y e a r o f a g e ) F i g u r e 2 . 1 4 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c h a r a c t r i s t i c s o f c o n c r e t e a n d m o r t a r . 2 ' 2 9 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i : - 6 . 9 N / m m 2 8 6 l . 2 " l - " — c - - ’ / S t r a i g h t - R o u S 1 F t / i - l r e 0 b v e e f F 8 V Z i 3 o ) ( b l e u r m s e 0 0 6 i n 0 F . r 5 a x t i 0 o . n c d n 3 ° 2 l 2 5 0 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) . - d - . 1 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) b . M o r t a r . 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) C o m p r e s s i v e T o u g h n e r s S t r a i g h t - R l o / u d n d - S 8 t 3 e e l F i b e r s 0 . 5 x 0 . 0 0 6 i n 1 l l V f ( 2 ) 2 5 1 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n F i g u r e 2 . 1 5 : E f f e c t o f fi b e r v o l u m e t r a c t i o n o n t o u g h n e s s i n d e x o f m o r t a r w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s . 2 1 i n = - 2 5 . 4 m m F i g u r e 2 . 1 6 : E f f e c t o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 2 5 2 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) S t r a i g h t - R o u n d F i b e r s 0 . 0 2 x 1 . 6 i n l / d - 8 0 M a x . A g g r e g a t e S i z e ' 3 / 8 i n D i f f e r e n t M a t r i x M i x P r o p o r t i o n s O F — _ 4 2 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( z ) a . R e f e r e n c e 2 6 t e s t r e s u l t s ( c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t m i x p r o p o r t i o n s , w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 3 5 - 0 . 5 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) a n d m o r t a r . 2 6 ' 3 1 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i : - 6 . 9 N / m m 2 0 1 2 3 F i b e r V f o ( l z u ) v m e F r a c t i o n 2 5 3 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 1 0 M a x . A g g r e g a t e S i z e ( i n ) A L , " A S S I I x e t e / C e m e n t - 2 . 4 , ’ C o n c r e t e : S a n d / G r a v e l - 1 . 5 9 A 3 1 8 , " , H a t e r / C e m e n t - 0 . 5 5 I I / K 3 “ " I . ' 1 ' . ” ' A ’ / S t r a i g h t R e c t a n g u l a r F i b e r 0 . 0 1 x 0 . 0 2 2 x 1 . 0 i n M o r t a r : S a n d / C e m e n t - 2 . 9 W a t e r / C e m e n t - 0 . 6 0 b . R e f e r e n c e 3 1 t e s t r e s u l t s ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 - 0 . 6 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) a p t o a s t 2 - % v o p e a k l r u m e f r a c e s i s t a n c t e i o o n f o c f o s n c m r o e o t t e h s a t t c r o a i m g p h r t e s s t s e i e l fi v e b s e r t r a s i a c n s t g u r a e l a l y t e r r e t d h u a c n e s 0 . t 0 h 1 e . 2 9 2 5 4 fi b e r s . T h e s e r e f e r e n c e s s u g g e s t t h a t t h e l o w e r e f f e c t i v e n e s s o f s t e e l f i b e r s i n m o r t a r c o u l d b e d u e t o t h e u n f a v o r a b l e e f f e c t s o f t h e i n c r e a s e i n s a n d c o n t e n t o n t h e b o n d i n g o f c e m e n t p a s t e t o m i x i n c l u s i o n s . R e f e r e n c e s 2 a n d 2 9 , o n t h e o t h e r h a n d , a t t r i b u t e t h i s e f f e c t t o t h e r e d u c t i o n i n s h e a r - f r i c t i o n e f f e c t i n m o r t a r c a u s e d b y t h e r e m o v a l o f t h e c o a r s e a g g r e g a t e s w h i c h t e n d t o r o u g h e n t h e c r a c k s u r f a c e i n c o n c r e t e . A n i n c r e a s e i n t h e a s p e c t r a t i o o f s t e e l fi b e r s a t a c o n s t a n t v o l u m e f r a c t i o n h a s a n i m p o r t a n t e f f e c t o n i m p r o v i n g t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f fi b r o u s c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n ( F i g u r e 2 . 1 7 . a ) . 2 4 : 3 ° T h e c o m p r e S s i v e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , h o w e v e r , s h o w s o n l y s l i g h t ( i f a n y ) i m p r o v e m e n t w i t h t h e i n c r e a s e i n a s p e c t r a t i o ( s e e F i g u r e 2 . 1 7 . b ) . A c c o r d i n g t o R e f e r e n c e 1 7 , t h e v a r i a t i o n i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w i t h a s p e c t r a t i o i s u s u a l l y b e l o w 1 0 % , a n d i t m a y b e c o n s i d e r e d i n s i g n i fi c a n t . T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y m a y b e r e v e r s e d b e y o n d a c e r t a i n m a x i m u m l i m i t o f a s p e c t r a t i o . F i b e r s w i t h e x c e s s i v e l y h i g h a s p e c t r a t i o s t a r t t o i n c r e a s e t h e h a r s h n e s s o f f r e s h m i x , l e a d i n g t o h i g h e n t r a p p e d a i r c o n t e n t s a n d i n f e r i o r h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e . F o r e x a m p l e , F i g u r e 2 . 1 8 2 9 s h o w s t h a t t h e i n c r e a s e i n a s p e c t r a t i o f r o m 6 0 t o 8 0 3 . l 1 0 0 ‘ 2 5 5 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K 3 1 ) 1 0 . . . . F i b e r A s p e c t R a t i o 6 - 8 3 4 7 1 . 0 — l S t r a i g h t R o u n d F i b e r s 2 . . F i b e r V o l u m e F r a c t i o n , V f - 2 1 P l a i n C o n c r e t e 0 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) a . c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o = - 3 . 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) F i g u r e 2 . 1 7 : E f f e c t o f fi b e r a p s e c t r a t i o o n c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r m o r t a r a n d c o n c r e t e . 2 ' 1 7 ' 2 9 ' 3 0 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 6 . 9 N / m m z 2 5 6 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 9 - 1 A A A 1 ‘ . I . l I D 8 — l - - ' - - - - - - . — — — — — — — . , I I I ' 1 . 7 ~ . S t r a i g h t R o u n d F i b e r s 1 . 9 1 ‘ . 0 . 0 1 8 1 . F i b e r V o l u m e 1 , 1 . 0 . 0 2 5 5 1 b “ . a m e t e r " ' C t i m ' V : 2 . 4 a 0 . 0 2 8 ( i n ) ( z ) 1 . 9 . 0 . 0 3 0 6 I I F i b e r A s p e c t R a t i o 0 5 0 1 0 0 ( l / d ) b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 5 . a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o . 4 . 4 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 7 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) a n d c u b i c a l s p e c i m e n s 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 2 5 7 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 6 1 I I \ F i b e r A s p e c t R a t i o 4 — 1 6 0 8 0 4 5 z - J 1 0 0 S t r a i g h t F i b e r s F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . V f - 2 2 0 ‘ I I I I C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) 0 S 1 0 1 5 F i g u r e 2 . 1 8 : R e v e r s a l o f t h e fi b e r a s p e c t r a t i o e f f e c t r e s u l t i n g f r o m w o r k a b i l i t y p r o b l e m s . 2 9 ( w a t e r c e m e n t r a t i o = - 0 . 6 , a g g r e g a t e o c e m e n t r a t i o . 4 . 6 , fi n e - t o e c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 1 . 2 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 4 x 8 i n ( 1 0 0 x 2 0 0 m m ) o f 1 y e a r o f a g e ) 2 5 8 C o n s i d e r i n g t h e c o m p a r a b l e e f f e c t s o f f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o o n t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , s o m e i n v e s t i g a t o r s h a v e p r o p o s e d t h a t t h e i r m u l t i p l i c a t i o n ( V , W ) a c t s a s a s i n g l e v a r i a b l e r e p r e s e n t i n g fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . F i g u r e 2 . 1 9 . a c o n fi r m s t h a t t h e n o r m a l i z e d p o s t - p e a k s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a r e p o s i t i v e l y i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , a n d F i g u r e 2 . 1 9 . b s h o w s t h a t t h e r e i s a l s o a n i n c r e a s e i n t o u g h n e s s i n d e x ( d e fi n e d a s t h e r a t i o o f fi b r o u s c o n c r e t e e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f t h a t o f p l a i n c o n c r e t e ) r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . 2 R e f e r e n c e s 2 9 a n d 3 0 s u g g e s t t h a t b e y o n d a fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x v a l u e o f a b o u t 2 , t h e d i f fi c u l t i e s i n m i x i n g a n d u n i f o r m d i s p e r s i o n o f fi b e r s s t a r t t o d a m a g e t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . R e f e r e n c e 3 1 h a s s h o w n t h a t t h e i n c o r p o r a t i o n o f s t e e l fi b e r s t e n d t o i n c r e a s e t h e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f m o r t a r u n d e r c o m p r e s s i o n . H o w e v e r , f i b e r s d e c r e a s e t h e c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 2 . 2 0 ) . 3 1 I t i s W o r t h m e n t i o n i n g t h a t t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n R e f e r e n c e s 2 , 2 9 - 3 2 i n d i c a t e t h a t t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s i n fi b e r c o n c r e t e i s s i g n i fi c a n t l y l a r g e r t h a n t h a t o f p l a i n c o n c r e t e . A l s o , i n c r e a s i n g t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o , o r t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , w o u l d i n c r e a s e t h e v a l u e o f s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e f o r h o o k e d s t e e l fi b e r s . 2 4 T h e i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m fi b e r C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 1 0 - 1 F I i n b d e e r x i R V e f n ( f l o / r d c ) e m e n t 2 . 2 1 0 0 0 . . . . 0 4 6 8 4 9 6 3 7 S t r a i g h t F i 0 . 0 0 I S I 0 1 r s b 1 e I 5 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) 5 — 0 0 2 5 9 a . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s F i g u r e 2 . 1 9 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x o n t h e c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f m o r t a r . 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o = 3 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 3 x 6 i n ( 7 5 x 1 5 0 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 2 6 0 C o m p r e s s i v e T o u g h n e s s 3 . — A A A A A A 2 _ A 1 _ 0 I I g fi r F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x 0 t 2 3 v f i l l d ) b . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s C o m p r e s s i v e M o d u l u s o f E l a s t i c i t y ( 1 0 0 0 K s i ) S M C t o o r r n a t c i a r g r e h : t t e : R S e a c n A t d g a / g n C r g e e u m g l e a a n t r t e / F - C i e b 2 m e . e r 9 n s . t . a 0 H - 0 t 2 1 e . x / , r 4 C e 0 S m . a e 0 n n 2 d 2 t / x - r G 0 I . 5 0 l . i 1 F 0 b e r V o l u m e F r 1 0 v . . e 0 6 l 0 . I c 5 t i o n a 1 a - . ( i n 1 ) . 5 . W a t e I 2 . 0 V f ( 2 ) r / C e m e n t - 0 . 5 5 I . 2 5 2 6 1 M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e ' , . , ” M o r t a r — — - - . ’ 3 L - — - - — — — . F i g u r e 2 . 2 0 : E f f e c t o f s t e e l fi b e r s o n t h e c o m p r e s s i v e m o d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r e t e . 3 1 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 5 5 - 0 . 6 0 a n d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . . 6 . 9 N / m m 2 r e i n f o r c e m e n t i s m a i n l y d u e t o t h e d r o p i n t a n g e n t m o d u l u s o f e l a s i c i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e n e a r p e a k ( s e e F i g u r e s 2 . 1 4 t o 2 . 2 0 ) . 2 1 2 9 ' 3 2 2 . 2 . d l e n s fl e a e n a y i g c T y p i c a l t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s r e s u l t i n g f r o m t e s t s o n p l a i n a n d fi b r o u s m o r t a r m a t r i c e s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 1 . 3 2 T h e s p e c i m e n s w e r e r e c t a n g u l a r a n d p r i s m a t i c ( 3 x 3 / 4 x 1 2 i n s 7 6 x 1 9 x 3 0 5 m m ) , a n d t h e fi b e r s w e r e b r a s s c o a t e d a n d s t r a i g h t - r o u n d w i t h a l e n g t h o f 1 i n ( 2 5 m m ) a n d d i a m e t e r o f 0 . 0 1 6 i n ( 0 . 4 m m ) . 3 2 2 6 2 T e n s i l e S t r e s s ( P s i ) G O O - H F i b e r V o l u m e F r a c t i o n . V f ( 1 ) 4 5 0 . — \ ‘ _ ' _ l e s 1 1 0 ‘ “ “ ~ — ‘ 3 0 0 - . _ _ _ , _ _ . _ _ _ _ 0 . 5 1 5 0 - 0 . 0 S t r a i g h t - R o u n d F i b e r s 1 x 0 . 0 1 6 i n ° 1 1 1 I 1 r n 1 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 ' “ ' ‘ 5 ‘ " “ ( 0 . 0 0 1 ) F i g u r e 2 . 2 1 : T y p i c a l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o b t a i n e d f r o m d i r e c t t e n s i o n t e s t s o n p l a i n a n d fi b r o u s m o r t a r m a t r i c e s . 3 2 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 2 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h . 1 2 i n ( 3 0 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n - 2 x 3 / 4 i n ( 5 0 x 1 9 m m ) ) 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 D i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s o n p l a i n m o r t a r s p e c i m e n s e x h i b i t a l i n a r e l a s t i c b e h a v i o r u p t o a b o u t 5 0 % o f t e n s i l e s t r e n g t h . T h e o n s e t o f i n e l a s t i c b e h a v i o r p r i o r t o t h e p e a k l o a d s u g g e s t s t h a t m i c r o c r a c k s s t a r t t o p r o p a g a t e r a t h e r e a r l y u n d e r t e n s i l e l o a d i n g ; a l t h o u g h n o c r a c k s w e r e d e t e c t e d ( o p t i c a l l y a t a 1 0 0 t i m e s m a g n i fi a c a t i o n ) . A l m o s t i m m e d i a t e l y a f t e r t h e p e a k l o a d , d e f o r m a t i o n s b e c o m e l o c a l i z e d a n d e v e n t u a l l y a s i n g l e c r a c k s t a r t s t o w i d e n . U n r e i n f o r c e d m a t r i c e s e x h i b i t s o m e d e c r e a s i n g t r a c t i o n c a p a c i t y a t d i s p l a c e m e n t s s e v e r a l t i m e s t h a t a n d l o w e s t o n e o u t s i d e t h e c r a c k . I t s h o u l d b e n o t e d t h e u n l o a d i n g a n d d r o p i n s t r a i n 2 6 3 o b s e r v e d a t p e a k l o a d . 3 2 D i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r i s l i n e a r l y e l a s t i c u p t o a b o u t 8 0 % o f t h e m a t r i x t e n s i l e s t r e n g t h . N o n - l i n e a r d e f o r m a t i o n s s t a r t t o t a k e p l a c e b e y o n d t h i s p o i n t . T h i s p e a k s t r e s s a n d t h e s t r a i n a s s o c i t e d w i t h i t i n fi b r o u s c o m p o s i t e s a r e l a r g e r t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g v a l u e s i n u n r e i n f o r c e d m a t r i c e s ( b y a s m u c h a s 2 5 t o 3 0 % a t 1 . 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s i n m o r t a r m a t r i c e s ) . 3 2 F o l l o w i n g t h e p e a k s t r e s s , t h e t e n s i l e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r a t h e r a b r u p t l y t o a s t r e s s l e v e l t e r m e d b y s o m e i n v e s t i g a t o r s a s t h e p o s t c r a c k i n g s t r e n g t h . O n e s i n g l e c r a c k b e c o m e s v i s i b l e a t a c r i t i c a l s e c t i o n . U p o n f u r t h e r i n c r e a s e i n t e n s i l e d i s p l a c e m e n t , t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y s t a r t s t o d r o p a l m o s t l i n e a r l y . A f r i c t i o n a l t y p e p u l l - o u t r e s i s t a n c e i s p e r h a p s r e s p o n s i b l e f o r t h e l i n e a r d o o r i n p o s t - p e a k t e n s i l e r e s i s t a n c e w i t h i n c r e a s i n g d e f o r m a t i o n s . 3 2 T h e l o c a l i z a t i o n o f d e f o r m a t i o n s i n o n e c r a c k a n d t h e c o n s e q u e n t d r o p i n t e n s i l e r e s i s t a n c e l e a d s t o t h e u n l o a d i n g a n d r e d u c t i o n o f s t r a i n s o u t s i d e t h e c r a c k e d z o n e a t t h e s a m e t i m e t h e c r a c k i s o p e n i n g a n d p r o d u c i n g m a j o r l o c a l s t r a i n s ( s e e F i g u r e 2 . 2 2 ) . 3 2 T h e f o r m a t i o n o f a c r a c k a t t h e c r i t i c a l n o t c h e d s e c t i o n i s o b s e r v e d t o p r o d u c e s i g n i fi c a n t l y l a r g e s t r a i n s a t l o c a t i o n 1 i n F i g u r e 2 . 2 2 , a n d a s i m u l t a n e o u s u n l o a d i n g a n d d r o p i n s t r a i n a t l o c a t i o n 2 . 3 2 T h e s t r a i n r e a d i n g o v e r a g a g e l e n g t h o f 3 . 2 5 i n ( 8 3 m m ) p r o v i d e s v a l u e s i n b e t w e e n t h e h i g h e s t o n e a t t h e c r a c k s e c t i o n 2 6 4 a t l o c a t i o n 2 i s s l o w e r w h a t c o u l d b e e x p e c t e d i n a p l a i n m a t r i x . T h i s i s p r o b a b l y b e c a u s e t h e fi b r o u s c o m p o s i t e d e v e l o p s m i c r o c r a c k s p r i o r t o t h e f o r m a t i o n - o f m a j o r c r a c k , w h i c h a r e r e s t r a i n e d f r o m c l o s i n g d u e t o t h e p r e s e n c e o f t h e f i b e r s . C o n s e q u e n t l y , p e r m a n e n t d e f o r m a t i o n s ( s t r a i n s ) a r e l a r g e r a t l o c a t i o n 2 i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h a n t h o s e o b s e r v e d i n p l a i n m a t r i c e s . 3 2 T h e m a j o r c r a c k a t w h i c h t h e t e n s i l e f r a c t u r e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e o c c u r s h a s a m o r e t o r t u o u s p r o fi l e t h a n t h a t o f c o n c r e t e p r o fi l e t h a n t h a t o f p l a i n c o n c r e t e . T h e f i b r o u s c o n c r e t e s t i f f n e s s a l s o d e t e r i o r a t e s l e s s s i g n i fi c a n t l y u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g i n t h e p o s t - c r a c k i n g r e g i o n ( F i g u r e 2 . 2 3 ) . 3 2 T h i s i s p r o p o s e d t o r e s u l t f r o m t h e i n t e r f a c i a l f a i l u r e o f fi b e r s a n d t h e i r r e v e r s i b l e n a t u r e o f fi b e r s l i p a c r o s s t h e c r a c k . T h e r e s i d u a l d e f o r m a t i o n s a r e t h u s r e l a t i v e l y l a r g e ( d u e t o t h e f r a c t i o n a l r e s i s t a n c e a g a i n s t c r a c k c l o s i n g p r o v i d e d b y fi b e r s . 3 2 T h e a b s o r b t i o n o f t e s i l e f r a c t u r e e n e r g y t a k e s p l a c e i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t h r o u g h a n u m b e r o f m e c h a n i s m s , i n c l u d i n g : ( a ) w o r k o f f r a c t u r e o f t h e m a t r i x , ( b ) e n e r g y r e q u i r e d t o d e b o n d fi b e r s f r o m t h e m a t r i x , ( 0 ) f r i c t i o n a l w o r k r e q u i r e d t o p u l l - o u t fi b e r s f r o m t h e m a t r i x , a n d ( d ) p l a s t i c w o r k r e l a t e d t o t h e d e f o r m i n g o f fi b e r s t h a t a r e i n c l i n e d t o t h e c r a c k f a c e . P r i o r t o t h e p e a k s t r e s s l e v e l , c o n t r i b u t i o n s o f e n e r g y a b s o r b t i o n m e c h a n i s m s ( a ) a n d ( b ) a r e l i k e l y t o b e m o r e s i g n i fi c a n t t h a n m e c h a n i s m s ( c ) a n d ( d ) . M e c h a n i s n s ( c ) a n d ( d ) a r e , h o w e v e r , r e s p o n s i b l e f o r m o s t o f t h e p o s t - p e a k e n e r g y a b s o r b t i o n i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 2 6 0 0 _ T e n s i 4 5 0 ' - I 3 0 0 1 5 ° - _ o O l I I ‘ l l I \ e S t r e \ . s \ s ( P . i ) s \ . \ t S ' \ r a i n ( 3 . . \ 2 5 \ e i r o a n . g e 2 A a v t t r S i n a . g i \ a n g e a ' t l L n e o c a t g t h S t r a i n a t L o c F M i i b x e r P V o o p l o r u r m t e i o F n I . 5 0 s 1 r a c a t s . i o i n n F i V g f u - e r 5 1 1 2 . 1 ‘ I ' + I . 0 I . 1 5 1 ‘ . i ' 2 o 2 1 I . n \ 0 a T e n s ( i 0 l . e 0 S 1 t ) 0 r a i n 2 6 5 F i g u r e 2 . 2 2 : M e a s u r e d t e n s i l e s t r a i n s f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a t t h e . . 2 c r i t i c a l z o n e a n d a w a y f r o m i t . 3 2 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K 5 1 - 6 . 9 N / m m T e n s i l e S t r e s s ( P s i ) 6 0 0 - 1 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n , V f - 1 . 5 2 2 6 6 T e n s i l e S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) 2 . 0 . . : 3 2 F i g u r e 2 . 2 3 : T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h l p s u n d e r r e p e a t e d l o a d i n g . 1 i n . 2 5 . 4 , 1 K s i . . 6 . 9 N / m m 2 2 6 7 R e f e r e n c e s 3 2 3 4 s u g g e s t t h a t t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c r e a s e s a l m o s t l i n e a r l y w i t h t h e i n c r e a s e i n fi b e r c o n t e n t ( s e e F i g u r e 2 . 2 4 ) . R e f e r e n c e 3 2 r e p o r t s t h a t t h e p o s t - c r a c k i n g s t r e n g t h i s a l s o l i n e a r l y r e l a t e d t o fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , a s f a r a s t h e fi b e r a s p e c t r a t i o i s k e p t c o n s t a n t . T h e t e s t d a t a p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 . 2 5 s u g g e s t s t h a t t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g fi b e r a s p e c t r a t i o . 3 3 T h e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h d o e s n o t s e e m t o b e d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o a s p e c t r a t i o , b u t r a t h e r t o a p o w e r o f a s p e c t r a t i o . F o r a s p e c t r a t i o u p t o 1 0 0 , a p o w e r r e l a t i o n s h i p b a s e d o n ( V d ) 3 ’ 2 i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 5 t o c l o s e l y a p p o r i m a t e t h e a c t u a l d a t a . A t h i g h e r a s p e c t r a t i o s , t h e p r o b l e m s w i t h fi b e r d i s p e r s i o n a n d c o m p a c t i o n o f f r e s h m i x s t a r t t o d a m a g e t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l . 3 3 I n o r d e r t o e s t a b l i s h a s i n g l e o v e r a l l f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r t o w h i c h t h e p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h i s c l o s e l y a n d s i m p l y r e l a t e d , t w o c o m b i n a t i o n s o f t h e i m p o r t a n t v a r i a b l e s ( V , a n d W ) a r e c o n s i d e r e d i n R e f e r e n c e 3 3 . T h e fi r s t , i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 . 2 6 . a , u s e s v , ( l / d ) 3 ’ 2 a s t h e s i n g l e v a r i a b l e , w h i l e t h e s e c o n d , i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 . 2 6 . b , u s e s t h e m a t h e m a t i c a l l y s i m p l e e x p r e s s i o n V f l / d . T h e c o r r e s p o n d i n g c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t s a r e 0 . 8 8 7 a n d 0 . 8 7 8 , r e s p e c t i v e l y , b o t h o f w h i c h a r e w e l l i n e x c e s s o f 0 . 5 5 4 c o r r e s p o n d i n g t o a s i g n i fi c a n c e l e v e l o f 1 0 % . H e n c e , a d e s i r e a b l e c o r r e l a t i o n e x i s t s b e t w e e n t h e I n c r e a s e i n T e n s i l e S t r e n g t h ( 1 ) 4 0 ‘ - 2 6 8 S t r a i g h t S m o o t h F i b e r s A s p e c t R a t i o ( l / d ) 3 0 “ 2 0 - 1 0 - 0 o - ‘ I I I I F i b e r V o l u m e F r a c t i o n 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 V £ ( Z ) F i g u r e 2 . 2 4 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r w i t h s t r a i g h t - r o u n d fi b e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o . 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h . 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n = 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i . . 6 . 9 N / m m 2 I n c r e a s e i n T e n s i l e S t r e n g t h ( 1 ) 4 0 " 2 6 9 S t r a i g h t S m o o t h F i b e r s F i b e r V o l u m e F r a c t i o n , V f ( Z ) F i b e r A s p e c t R a t i o ( l l d ) F i g u r e 2 . 2 5 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r w i t h fi b e r a s p e c t r a t i o o f s t r a i g h t - r o u n d fi b e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o a 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h a 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n . 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m 2 4 0 _ . I n c r e a s e i n T e n s i l e S t r e n g t h ( 2 ) 2 7 0 3 0 . - 2 0 - D i f f e r e n t S t e e l 1 0 - F i b e r T y p e s / 2 3 I V ( l / d ) 0 1 0 I f 2 0 a . v , ( l / d ) 3 / 2 F i g u r e 2 . 2 6 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h a n d fi b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n - 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i : - 6 . 9 N / m m 2 2 7 1 I n c r e a s e i n T e n s i l e S t r e n g t h ( 1 ) 4 0 . . A A 3 0 . . A A A 2 0 . . “ L A A A 1 0 _ A A A A A A A D i f f e r e n t S t e e l F i b e r T y p e s { A 0 I I I I 0 1 2 o . v , ( l / d ) F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( 1 / d ) e e a R b o m d f i e a . h f 0 x a m v 4 i e r e n i 9 m t o , e u c a m r r e o g o 3 6 s 3 r g t e g . f f g a h e a l t g e a 8 e r g 1 s fi e s b - a i t n t c e e ( u r e s 9 7 d i e d i n e m r . i e 5 e z t f o r o f m n t m h e c / t r 3 a ) e e f d i o 8 a f o i e f c n n d c o t n s c 4 ( l , 1 e 0 n o r fi f m e n g t l e - i . ) d t o t e m h , . o f f T - o c h T r o e h 1 4 . d a i r m f s f t e a s e p 7 i e 1 r e i n x a e g c ( r n t i g 3 fi b e h 6 r m a e 0 e d g a n m a t r m s t w e y w a p r e t a e r ) . s e , r t e T i o c h o o y n fi c f l - e t h e e n e i 0 m n . d e 6 r b e e l o s t t t a e r n n a d i i a r s w i t h a 2 7 2 p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h a n d e i t h e r o f t h e t w o p r o p o s e d f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r . 5 I n s p i t e o f t h e h i g h d e g r e e o f s i m i l a r i t y o f t h e s e t w o p a r a m e t e r s , R e f e r e n c e 3 3 p r e f e r s V , ( l / d ) 3 ’ 2 o v e r V , ( V d ) a s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e e f f e c t i v e n e s s o f s t e e i f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f m o r t a r . A s s h o w n i n F i g u r e 2 . 2 7 , a r e s o n a b l e d e g r e e o f c o r r e l a t i o n a l s o e x i s t s b e t w e e n t h e i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s r e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d e i t h e r o f t h e t w o a l t e r n a t i v e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s ( c o r r e l a t i o n c o e f fi c i e n t i s a b o u t 0 . 7 i n b o t h c a s e s ) . 3 3 I n t h e e v a l u a t i o n o f F i g u r e 2 . 2 7 , i t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e t e n s i l e s t r a i n m e a s u r e m e n t s o f R e f e r e n c e 3 3 h a v e e x h i b i t e d a r e l a t i v e l y l a r g e s c a t t e r . R e f e r e n c e 3 5 a l s o h a s c o r r e l a t e d d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s w i t h t h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r V , ( l / d ) ( s e e F i g u r e 2 . 2 8 ) . T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s fi g u r e c o n fi r m t h a t a r e s o n a b l e d e g r e e o f c o r r e l a t i o n e x i s t s b e t w e e n t h e fi b r o u s c o n c r e t e t e s i l e s t r e n g t h a n d V , ( V d ) . I n c r e a s e i n S t r a i n a t P e a k T e n s i l e S t r e s s ( 2 ) 2 7 3 4 0 _ q D i f f e c F i b T 3 / 2 0 l r e n e r y p e s 1 V i ( l / d ) 0 1 0 2 0 a . v , ( l / d ) 3 / 2 F i g u r e 2 . 2 7 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e i n c r e a s e i n t e n s i l e s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s a n d d i f f e r e n t fi b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o . 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 3 . 0 . p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h - 3 0 i n ( 7 5 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n i s 4 x 4 i n ( 1 0 0 x 1 0 0 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i . . 6 . 9 N / m m 2 I n c r e a s e i n S t r a i n a t P e a k T e n s i l e S t r e n g t h ( 2 ) 0 0 | 1 D i f f e r e n t S t e e l F i b r T y p e s I e 2 F i b e V r f R ( e l i / n d f ) o r c e m e n t I n d e x 4 0 . . 3 0 . . 2 0 _ 2 7 4 R e g r e s s i o n L i n e b . V , ( W ) 0 8 U n i a x i a l T e n s i l e S t r e n g t h ( K s i ) S t r a i g h t R o u n d F i b e r s 0 . 0 1 5 x 1 . 5 i n I I 1 I 2 F i b e V r f R ( e l i / n d f ) o r c e m e n t I n d e x 2 7 5 F i g u r e 2 . 2 8 : R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t p a r a m e t e r ( V , l / d ) . 3 5 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 4 , p r i s m a t i c s p e c i m e n ' s l e n g t h . . 2 4 i n ( 6 0 0 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n . 4 x 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 m m ) ) 1 i n = - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 2 7 6 v o l u m e f r a c t i o n u s e d i n R e f e r e n c e 3 6 w a s 1 . 5 % . T h e d i f f e r e n c e s i n t h e e f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d p o s t - p e a k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s s e e m t o b e r e l a t i v e l y s m a l l i n F i g u r e s 2 . 2 9 . a a n d 2 . 2 9 . b , r e s p e c t i v e l y . A s i m i l a r c o n c l u s i o n c a n b e d e r i v e d f r o m t h e t e n s i l e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s o f R e f e r e n c e 3 3 p r o d u c e d f o r m o r t a r s r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t - r o u n d a n d d u o f o r m f i b e r s a t a v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 3 % a n d d i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s . r m n l P r T h e p r o g r a m o u t l i n e d i n t h i s s e c t i o n w a s d e s i g n e d t o i n v e s t i g a t e t h e e f f e c t s o f f i b e r l e n g t h , d i a m e t e r a n d v o l u m e f r a c t i o n o n t h e f r e s h m i x a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e fi b e r t y p e s c o n s i d e r e d w e r e s t r a i g h t , c r i m p e d a n d h o o k e d . T h e f r e s h fi b e r m i x w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s s l u m p a n d i n v e r t e d a s l u m p c o n e t i m e ( F i g u r e 2 . 1 ) , 4 ' 9 a n d t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s i n v e s t i g a t e d w e r e c o m p r e s s i v e a n d fl e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p s . T h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s i n c l u d e d i n t h i s p r o g r a m a l l h a d a w a t e r - b i n d e r ( c e m e n t + fl y a s h ) r a t i o o f 0 . 4 , a fl y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 , a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o o f 4 . 0 , c o a r s e - t o - fi n e a g g r e g a t e r a t i o o f 1 . 0 , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o f 1 . 5 % . T h e f l y a s h - b i n d e r r a t i o w a s d e c i d e d , b a s e d o n t h e o t h e r p h a s e s o f t h i s p r o j e c t , t o b e a n o p t i m u m v a l u e f o r u s e i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e fl y a s h u s e d i n t h i s s t u d y w a s t y p e F p r o v i d e d b y t h e a . T e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 2 7 7 S t r e n g t h / P l a i n C o n c r e t e S t r e n g t h 1 . 5 . . 1 . 0 _ 0 . 5 _ , F i b e r T y p e . — — S t r a i g h t I I . . _ . _ _ C r i m p e d 0 0 ‘ — o . _ _ . D u o f o r m F i b e r V o l u m e F r a c t i o n - 1 . 5 : I I I I I F i b e r A s p e c t R a t i o 0 2 5 5 0 7 5 1 0 0 1 2 5 ( 1 / 0 ) F i g u r e 2 . 2 9 : E f f e c t s o f fi b e r a s p e c t r a t i o o n t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d p o s t - p e a k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 6 ( w a t e r 4 c e m e n t r a t i o - 0 . 4 9 , a g g r e g a t e c e m e n t r a t i o : - 4 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o - 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c y l i n d r i c a l s p e c i m e n ' s l e n g t h : - 1 4 i n ( 3 6 0 m m ) a n d d i a m e t e r . 3 . 2 i n ( 8 0 m m ) ) 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 b . M a x i m u m p o s t - p e a k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . 1 . 0 0 . 5 0 . 0 2 7 8 S t r e n g t h / P l a i n C o n c r e t e S t r e n g t h fl _ I A A I A O A . A _ L I I I I I F i b e r A s p e c t R a t i o 0 2 5 s o 7 5 1 0 0 1 2 5 ( y d ) 2 7 9 L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t ( s e e T a b l e 2 . 1 f o r t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f f l y a s h ) . : 3 7 a n d t h e s u p e r p l a s t i c i z e r w a s D a r a c e m 1 0 0 ( a N a p h t a l e n e - F o r m a l d e h y d e - S u l t a n a t e b a s e d s u p e r p l a s t i c i z e r w i t h w a t e r c o n s t i t u t i n g 6 0 % o f i t s w e i g h t ) w h i c h i s c a p a b l e o f m a i n t a i n i n g i t s e f f e c t i v e n e s s o v e r t h e r e l a t i v e l y l o n g p e r i o d u s u a l l y n e e d e d f o r m a n u f c t u r i n g a n d p l a c i n g o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 8 C e m e n t w a s r e g u l a r t y p e I , a n d t h e a g g r e g a t e s w e r e n a t u r a l r i v e r s a n d a n d g r a v e l , w i t h a m a x i m u m c o a r s e a g g r e g a t e s i z e o f 0 . 7 5 i n . 0 9 m m ) T h e v a r i a b l e s o f t h i s t e s t p r o g r a m w e r e t h e d i a m e t e r , l e n g t h , v o l u m e f r a c t i o n a n d t y p e o f s t e e l f i b e r s . D i f f e r e n t c o m b i n a t i o n s o f t h e s e v a r i a b l e s u s e d i n t h e t e s t p r o g r a m a r e p r e s e n t e d i n t h e T a b l e 2 . 2 . T w o c y l i n d r i c a l c o m p r e s s i o n t e s t s p e c i m e n s 6 i n ( 1 5 0 m m ) i n d i a m e t e r b y 1 2 i n ( 3 0 0 m m ) i n h e i g h t , 2 7 a n d t h r e e fl e x u r a l s p e c i m e n s 6 x 6 x 2 0 i n ( 1 5 0 x 1 5 0 x 5 0 0 m m ) 2 7 w e r e m a d e f r o m e a c h m i x ( w h i c h w a s p r e p a r e d i n a r o t a r y d r u m m i x e r ) . T h e s e q u e n c e a n d r a t e o f a d d i t i o n o f d i f f e r e n t m i x i n g r e d i e n t s w e r e a s f o l l o w s : ( 1 ) C h a r g e t h e m i x e r w i t h a l l t h e s a n d a n d g r a v e l ; ( 2 ) S t a r t t h e m i x e r a n d a d d u s o f t h e w a t e r - s u p e r p l a s t i c i z e r m i x t u r e ; ( 3 ) A d d h a l f t o 7 0 % o f t h e c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s ( c e m e n t + fl y a s h ) t o g e t h e r w i t h a n o t h e r 1 / 3 o f t h e w a t e r - s u p e r p l a s t i c i z e r m i x t u r e o v e r a 4 - m i n u t e p e r i o d ; ( 4 ) A d d t h e f i b e r s t o t h e m i x ( p e r f e r a b l y t h r o u g h a w i r e m e s h b a s k e t w i t h a n o p e n n i n g s i z e o f 1 . 5 x 1 . 5 i n ) i n a g r a d u a l m a n n e r s u c h t h a t p i l i n g u p o f f i b e r s o n 4 4 4 4 F 2 8 0 T a b l e 2 . 1 : M a j o r c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f f l y a s h u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 3 7 1 i n g 2 5 . 4 m m C h e m i c a l C o m p o s i t i o n 9 . 2 m 1 . 3 3 . 3 9 . 1 1 . 2 1 ] ; S i l i c a . 5 1 0 2 h 7 . 0 A l u m i n a . A 1 2 0 3 2 2 . 1 I r o n , F e 2 0 3 2 3 . 4 T i t a n i u m . T 1 0 2 1 . 1 C a l c i u m . C a 0 2 . 6 M a g n e s i u m . M g O 0 . 7 P o t a s s i u m . K 2 0 2 . 0 C a r b o n , C 4 . 3 G r a d a t i o n 2 1 m m m u m # 3 0 ( 0 . 6 m m - 6 0 0 m i c r o n ) 1 0 0 # 2 0 0 ( 0 . 0 7 h m m - 7 0 m i c r o n ) 9 2 # 3 2 5 ( 0 . 0 6 5 m m - 4 5 m i c r o n ) 8 4 0 . 0 2 0 m m - 2 0 m i c r o n 6 3 0 . 0 1 0 m m - 1 0 m i c r o n 3 6 0 . 0 0 5 m m - 5 m i c r o n . 1 7 S p e c i f i c G r a v i t y - 2 . 2 4 5 T a b l e 2 . 2 : F i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s i n t h e m i x e s o f t h e t e s t p r o g r a m . 1 i n a n - 2 5 . 4 m m V o l u m e L e n g t h D i a m e t e r F r a c t i o n F fi i h g r i t v o e 1 ( i n . ) d ( i n . ) ( V i ) % l l d f o l / d ) 2 0 . 0 3 5 3 5 7 1 7 1 2 5 7 1 1 6 1 5 7 5 7 S t r a i g h t R o u n d 2 . 5 0 . 0 3 5 2 7 2 1 4 5 1 . 5 0 . 0 3 5 2 # 3 8 6 H o o k e d - C o l l a t e d 2 0 . 0 2 2 1 0 0 2 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 . 5 1 0 0 5 0 C r i m p e d C i r c u l a r 2 0 . 0 3 5 2 5 7 1 1 4 l 5 7 5 7 H o o k e d o C o l l a t e d 2 . 3 6 0 . 0 3 1 5 2 7 5 1 5 0 l 7 5 7 5 2 8 2 t h e m i x i s p r e v e n t e d . T h e a d d i t i o n o f fi b e r s u s u a l l y t a k e s a b o u t 3 m i n u t e s ; ( 5 ) A d d t h e r e m a i n d e r o f t h e w a t e r - s u p e r p l a s t i c i z e r m i x t u r e a n d t h e c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s o v e r a 2 - m i n u t e p e r i o d ; a n d ( 6 ) C o n t i n u e m i x i n g f o r 3 m i n u t e s u n t i l a h o m o g e n e o u s m i x i s a c h i e v e d . T h e n s t o p t h e m i x e r f o r 3 m i n u t e s , f o l l o w e d b y a 2 - m i n u t e m i x i n g p e r i o d . F o l l o w i n g m i x i n g . t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y i s m e a s u r e d b y t h e s l u m p a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t i n g p r o c e d u r e s . S l u m p i s t h e p o p u l a r m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e w o r k a b i l i t y o f c o n c r e t e . I n t h e p r e s e n c e o f s t e e l f i b e r a n d f l y a s h , h o w e v e r . t h e s l u m p t e s t r e s u l t s c a n b e m i s l e a d i n g i n t h e s e n s e t h a t t h e y d o n o t r e fl e c t t h e f l o w a b i l i t y o f t h e m i x u n d e r v i b r a t i o n . 5 ‘ 2 6 T h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t s e e m s t o b e m o r e a p p l i c a b l e t o fi b r o u s m i x e s c o n t a i n i n g f l y a s h . I n t h i s t e c h n i q u e ( s e e F i g u r e 2 . 1 ) , 9 t h e t i m e n e e d e d f o r e v a c u a t i n g a n i n v e r t e d s l u m p c o n e , f i l l e d w i t h t h e f r e s h m i x , t h r o u g h i n t e r v e l v i b r a t i o n i s u s e d a s a m e a s u r e o f t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . 9 S h o r t e r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s a r e i n d i c a t i v e o f a b e t t e r m i x w o r k a b i l i t y . A l s o , a s u b j e c t i v e m e a s u r e o f w o r k a b i l i t y w a s u s e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m r e p o r t e d h e r e i n . T h i s s u b j e c t i v e m e a s u r e i s a r e p r e s e n t a t i v e o f t h e o v e r a l l w o r k a b i l i t y o f t h e m i x a n d t a k e s i n t o a c c o u n t fl o w a b i l i t y , m o b i l i t y , c o m p a c t i b i l i t y . p l a c e a b i l i t y , s t a b i l i t y , fi n i s h a b i l i t y a s w e l l a s f i b e r d i s p e r s i o n . T h e s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y m e a s u r e w a s p e r f o r m e d c o n s i s t e n t l y b y t h e a u t h o r o n a s c a l e o f f o u r w i t h f o u r b e i n g t h e b e s t a n d z e r o t h e W O T S I . 2 8 3 T h e S p e c i m e n s w e r e c a s t i n t w o l a y e r s a n d v b r a t e d e x t e r n a l l y ( f o r 3 0 s e c p e r l a y e r ) u s i n g a v i b r a t i o n t a b l e . T h e s p e c i m e n s w e r e k e p t i n s i d e t h e i r m o l d s u n d e r p l a s t i c s h e e t s f o r 2 4 h o u r s , a n d w e r e t h e n d e m o l d e d a n d c u r e d f o r 7 d a y s i n a m o i s t r o o m ( a t 7 2 ° F - 2 2 ° C a n d 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y ) a n d t h e n i n a i r ( a t r e g u l a r l a b e n v i r o n m e n t ) u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . A c o m p r e s s o m e t e n e x t e n s o m e t e r w a s u s e d t o m e a s u r e t h e v a l u e s o f s t r a i n i n c o m p r e s s i o n t e s t s ( s e e F i g u r e 2 . 3 0 . a ) . 2 7 ' 3 9 T w o d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s w e r e u s e d t o m o n i t o r t h e d i s p l a c e m e n t s a t t h e l o a d p o i n t s i n f l e x u r a l t e s t s ( F i g u r e 2 . 3 0 . b ) , w h i c h w e r e c o n d u c t e d b y l o a d i n g a t 1 / 3 p o i n t s o n a s p a n o f 1 8 i n . ( 4 5 0 m m ) . 2 7 B o t h t h e c o m p r e s s i o n a n d f l e x u r a l t e s t s w e r e p e r f o r m e d i n a q u a s i s t a t i c m a n n e r . W ] : T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e r e s u l t s o f t e s t s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e f o r d i f f e r e n t fi b e r r e i n f o r c e m e n t c o n d i t i o n s . 2 . 4 . a W : F i g u r e s 2 . 3 1 . a , b a n d c s h o w t h e m e a s u r e d v a l u e s o f s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f f r e s h fi b r o u s m i x t u r e s v s t h e i r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n t i m e s a s p e c t r a t i o - V , V d ) , f o r d i f f e r e n t fi b e r t y p e s . I t i s o b v i o u s i n a l l t h e s e fi g u r e s t h a t t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y i s d a m a g e d b y t h e i n c r e a s e i n fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . T h e r a t e o f d r o p i n w o r k a b i l i t y w i t h t h e i n c r e a s e i n fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x 2 8 4 L O A D D i a l G a g e M e t a l R i n g W P i v o t i n g R o d f . ‘ _ _ _ _ . C o n c r e t e C y l i n d e r - 6 x 1 2 i n F i x i n g S c r e w s 3 . C o m p r e s s i o n D i s p l a c e m e n t T r a n s d u c e r S t e e l P l a t e S t e e l B a r C o n c r e t e S p e c i m e n 6 x 6 x 2 0 i n S t e e l B a r S t e e l P l a t e 1 8 i n b . F l e x u r e F i g u r e 2 . 3 0 : C o m p r e s s i o n a n d fl e x u r a l t e s t s e t - u p s a n d i n s t r u m e n t a t i o n s . 1 i n - 2 5 . 4 m m 2 8 5 s e e m s t o b e c o m p a r a b l e f o r d i f f e r e n t fi b e r t y p e s . A t a s p e c i fi c fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , h o w e v e r , c r i m p e d fi b e r s s e e m t o g i v e s l i g h t l y h i g h e r s l u m p s ( s e e F i g u r e 2 . 3 1 . a ) w h i l e t h e s t r a i g h t f i b e r s p r o d u c e f r e s h f i b r o u s m i x t u r e s w i t h s l i g h t l y l o w e r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 1 . b . H o o k e d f i b e r s p r o d u c e s l u m p s c o m p r a b l e w i t h t h o s e o f s t r a i g h t fi b e r s b u t t h e i r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s t e n d t o b e s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h o s e o f b o t h c r i m p e d a n d s p e c i a l l y s t r a i g h t fi b e r s . T h e l i m i t e d t e s t d a t a o n s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y ( F i g u r e 2 . 3 1 . c ) d o n o t s h o w a n y s i g n i fi c a n t e f f e c t s o f fi b e r t y p e o n t h e s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f f r e s h s t e e l f i b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s , n o t i n g t h a t s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y i s a m o r e c o m p r e h e n s i v e m e a s u r e o f f r e s h m i x w o r k a b i l i t y b u t h a s a l o w e r a c c u r a c y t h a n t h e s l u m p a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e m e a s u r e m e n t s . 2 . 4 . b W : T h e e x p e r i m e n t a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s f o r d i f f e r e n t s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 2 . 3 2 . a t h r o u g h 2 . 3 2 . c . E a c h c u r v e i n t h e s e fi g u r e s i s t h e a v e r a g e o f t h r e e m e a s u r e m e n t s m a d e o n s i m i l a r s p e c i m e n s . T h e t r e n d s o b s e r v e d i n t h e f l e x u r a l t e s t r e s u l t s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 2 a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e s 2 . 3 3 . 3 t h r o u g h 2 . 3 3 . d w h i c h p r e s e n t t h e fi r s t c r a c k a n d u l t i m a t e f l e x u r a l l o a d s , e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , a n d t o u g h n e s s i n d e x o f d i f f e r e n t s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a s a f u n c t i o n o f t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . E n e r g y a b s o r b t i o n r e p r e s e n t s t h e t o t a l a r e a u n d e r n e a t h t h e l o a d d e f l e c t i o n c u r v e s u p t o a m a x i m u m d e fl e c t i o n o f 5 . 5 t i m e s t h e fl e x u r a l c r a c k i n g d e f l e c t i o n . 2 7 T o u g h n e s s i n d e x i s d e fi n e d a s t h e r a t i o o f t h i s e n e r g y S l u m p ( 1 n ) F i b e r p e O 7 T a 7 y 5 2 S - H t o r - o a k i e - e g d h - t - C - o R — l o l u a n t d e d d - C i r c u l a r \ \ \ \ \ 1 2 . _ , 6 ‘ 3 . . O 0 4 3 l / d O 5 7 0 l / d a 0 1 1 / d 5 7 C r i m p F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . d ) / 4 m m 2 8 6 I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 F i g u r e 2 . 3 1 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x a n d fi b e r t y p e o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 2 8 7 F i b e r T y p e s I n v e r t e d S l u m p C o n e T i m e ( S e c . ) 0 . G 1 / d 4 3 5 7 7 2 S t r a i g h t — R o u n d - l / d 1 0 0 7 5 H o o k e d — C o l l a t e d A _ Q — . - — — - 1 / d S 7 C r i m fi é g C i r c u l a r 9 I O 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 8 8 F i b e r T y p e 6 O 0 1 k b 1 1 1 / d 4 3 5 7 7 2 S t r a i g h t - R o u n d S u b j e c t v e W o r a i t y : a _ — _ — — — — l / d 1 0 0 7 5 H o o k e d - C o l l a t e d A — - O . — l / d 5 7 C r i m p e d - R o u n d 0 I I l 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 2 8 9 L o a d ( K i p s ) 4 0 ‘ _ ’ V o l u m e F r a c t i o n , A s p e c t R a t i o 3 ° ‘ I v 1 5 ( 1 ) m / " e \ . 2 0 _ I . \ O / \ . . / / \ \ e \ / / / \ \ ~ . ‘ \ ~ . f : \ \ ' . 2 7 2 ’ ~ . ‘ 0 ‘ U " 1 ° " [ 1 ’ \ ~ \ \ \ 3 . 5 7 ' " “ ° ~ ~ s _ _ \ 2 , 5 7 / ’ \ . ~ - \ ~ ~ - - l - ’ 3 7 - - ~ ~ - - - - - \ o . I p . \ 2 , 4 3 0 . l e i n 7 T r T I 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 D e f l e c t i o n ( i n ) a . S t r a i g h t fi b e r s F i g u r e 2 . 3 2 : F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 4 0 3 0 2 0 1 0 L o a d ( K i p s ) 2 9 0 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n v f ( l ) I I I I 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 D e f l e c t i o n ( i n ) b . C r i m p e d fi b e r s c . H o o k e d - e n d fi b e r s 4 0 3 0 2 0 1 0 L o a d ( K i p s ) V o l u m e F r a c t i o n . A s p e c t R a t i o " V f ( Z ) ( l l d ) 2 . 7 5 / ' — ‘ " 0 . \ , " / 2 . 1 0 0 \ . O . x \ . / \ - . \ . . . / . \ . \ O l ” \ I \ \ ‘ l " " \ , 1 , 7 5 d « \ \ . \ . . \ . \ \ \ e . ~ ‘ . . . \ \ \ . . ‘ \ 0 . 0 . 5 . 1 0 0 \ \ 1 . 1 0 0 ‘ 0 0 — . . — \ \ \ ‘ ~ - - - - - — / \ / / / / P l a i n I I I I 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 2 9 1 D e f l e c t i o n ( i n ) 2 9 2 a b s o r b t i o n c a p a c i t y t o t h e p r e ~ c r a c k i n g e n e r g y a b s o r p t i o n ( a r e a u n d e r n e a t h t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e u p t o t h e c r a c k i n g p o i n t ) . A t o u g h n e s s i n d e x o f 1 1 r e p r e s e n t s a n e l a s t i c - p e r f e c t l y p l a s t i c t y p e o f b e h a v i o r ( w i t h y i e l d p o i n t c o r r e s p o n d i n g t o t h e c r a c k i n g c o n d i t i o n ) . T h e fi r s t c r a c k a n d u l t i m a t e f l e x u r a l l o a d s a r e o b s e r v e d i n F i g u r e s 2 . 3 3 . a a n d 2 . 3 3 . b t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x u p t o a b o u t 1 . 5 . A t h i g h e r f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , t h e p r o b l e m s w i t h w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x s e e m t o r e v e r s e t h i s t r e n d a n d c a u s e d a m a g e t o t h e h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l s t r e n g t h . H o o k e d fi b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , l e a d t o f l e x u r a l s t r e n g t h s s u p e r i o r t o t h o s e o b t a i n e d w i t h s t r a i g h t a n d s p e c i a l l y c r i m p e d f i b e r s . T h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s a l s o o b s e r v e d i n F i g u r e 2 . 3 3 . c t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x u p t o a n i n d e x v a l u e o f a b o u t 1 . 5 , b e y o n d w h i c h t h i s t r e n d s t a r t t o r e v e r s e . H o o k e d f i b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , p r o d u c e c o n c r e t e s w i t h h i g h e r e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y t h a n s t r a i g h t a n d e s p e c i a l l y c r i m p e d fi b e r s . T h e t r e n d s i n fi b e r r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o n t h e t o u g h n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n F i g u r e 2 . 3 3 . d a r e i n d i c a t i v e o f t h e s i m u l t a n e o u s i n c r e a s e i n p r e - a n d p o s t - c r a c k i n g f l e x u r a l e n e r g y a b s o r b t i o n o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h t h e i n c r e a s e i n fi b e r r e i n f o r c e d i n d e x . I n g e n e r a l , c r i m p e d fi b e r s s e e m t o g i v e l o w e r t o u g h n e s s i n d i c e s t h a n o t h e r fi b e r t y p e s . M o s t o f t h e fi b r o u s c o n c r e t e s h a v e 2 9 3 F i r s t C r a c k L o a d ( K i p s ) 2 0 . . 1 6 . 1 1 2 . . 8 _ . p l a i n . / F i b e r T y p e s / / 4 I d 6 . O l / d 4 3 5 7 7 2 S t r a i g h t - R o u n d : E — _ — — — — l / d 1 0 0 7 5 H o o k e d - C o l l a t e d £ 5 - - - - - 0 e - - - e o l / d 5 7 C r i m p e d - R o u n d I I I I 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) a . F i r s t - c r a c k l o a d F i g u r e 2 . 3 3 : E f f e c t s o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x a n d fi b e r t y p e o n d i f f e r e n t a s p e c t s o f t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 4 . 5 K N , 1 l b . i n = 1 1 5 N . m m F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) 4 0 3 0 2 0 1 0 2 9 4 U l t i m a t e L o a d ( K i p s ) F i b e r T y p e S t r a i g h t - R o u n d H o o k e d - C o l l a t e d 4 . I N 3 5 7 7 2 p l a i n i B l / d 1 0 0 7 5 A l / d S 7 1 I I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 b . U l t i m a t e l o a d c m — 2 . 0 1 2 2 9 S E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( 1 0 0 0 1 b . i n ) E 1 _ _ _ _ _ 1 ’ ‘ ~ ~ . . / \ \ \ c e e / : \ 4 3 5 7 7 2 l / d I S t r a i g h t - R o u n d I _ _ _ _ . . _ g F i b e r I 1 0 0 7 5 1 / d T y p e / H o o k e d - C o l l a t e d / _ O O A I 5 7 l / d / C r i m p e d - C i r c u l a r I I I I I 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V ( l / d ) 1 5 1 2 F l e x u r a l T o u g h n e s s 2 9 6 F i b e r T y p e 7 2 S t r a i g h t - R o u n d a _ ‘ _ — _ _ 7 5 H o o k e d - C o l l a t e d . * . ~ Q G l / d 4 3 5 7 p l a i n i i 1 / d 1 0 0 1 1 a l l r o 0 . 5 1 . 0 1 . 5 f d . T o u g h n e s s i n d e x A — . - 5 7 C r i m p e d - g i g g u I a ; 2 . 0 b e m o r e p r o n o u n c e d t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 2 9 7 t o u g h n e s s i n d e x v a l u e s c o m p a r a b l e t o t h a t c o r r e s p o n d i n g t o a n e l a s t i c - p e r f e c l y p l a s t i c b e h a v i o r , 2 7 w h i c h i s i n d i c a t i v e o f t h e d e s i r a b l e d u c t i l i t y o f t h e m a t e r i a l . 2 . 4 . c W M : F i g u r e s 2 . 3 4 . a . b a n d 0 s h o w t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s f o r s t r a i g h t , c r i m p e d a n d h o o k e d fi b e r s , r e s p e c t i v e l y . T h e t r e n d s o b s e r v e d i n d i f f e r e n t a s p e c t s o f t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t d i f f e r e n t f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s a n d f o r d i f f e r e n t f i b e r t y p e s a r e p r e s e t e d i n F i g u r e s 2 . 3 5 . a t h r o u g h 2 . 3 5 . d . T h e s e f i g u r e s p r e s e n t t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , s t r a i n a t p e a k s t r e s s , e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s o f t h e m a t e r i a l . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y i s d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e s u p t o a m a x i m u m s t r a i n o f 5 . 5 t i m e s t h a t a t p e a k s t r e s s . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s w a s d e fi n e d a s t h e r a t i o o f e n e r g y a b s o r b t i o n c a p a c i t y t o t h e p r e - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n ( a r e a u n d e r n e a t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s ~ s t r a i n c u r v e u p t o t h e p e a k l o a d ) . F r o m F i g u r e 2 . 3 5 . a i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n l y s l i g h t l y i n c r e a s e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h i s a l s o s e e m s t o a p p l y t o s t r a i n a t p e a k s t r e s s ( F i g u r e 2 . 3 5 . b ) , e x p e c t t h a t m i x e s w i t h l e a s t w o r k a b i l i t y ( h o o k e d fi b e r s a t a fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x o f 2 0 0 ) . p o s s i b l y d u e t o t h e e x c e s s i v e v o i d c o n t e n t r e s u l t i n g f r o m c o m p a c t i o n p r o b l e m s . s e e m t o h a v e r e l a t i v e l y l o w s t i f f n e s s e s a n d r e l a t i v e l y h i g h s t r a i n s a t p e a k s t r e s s . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n ( F i g u r e 2 . 3 5 . c ) s e e m t o 2 9 8 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) [ ’ fl - “ ‘ V o l u m e F r a c t i o n . A s p e c t R a t i o n . \ v f ( z ) m I - \ " ‘ / l ‘ \ . \ \ I \ ‘ I \ . \ \ l s ‘ ' \ \ & “ ~ ‘ - _ _ 3 . 5 7 l \ — . \ \ . I ° \ \ \ , I s \ \ \ . \ e . \ I \ ' \ . 2 . 7 2 - l O \ \ e \ < : ? “ ‘ L 5 7 O r - N — I U h C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) a . S t r a i g h t fi b e r s F i g u r e 2 . 3 4 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m 2 2 9 9 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) F i b e r V o l u m e F r a c t i o n ( v f ( z ) C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) b . C r i m p e d fi b e r s 3 0 0 C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) V o l u m e F r a c t i o n . A s p e c t R a t i o v f ( Z ) l / d 2 . 1 0 0 O \ 2 . 7 5 O \ . ~ “ ~ . ~ \ ‘ _ . \ . e . 1 . 7 5 \ \ \ ‘ ‘ K . \ \ ‘ 1 , 1 0 0 \ \ \ ~ ‘ ~ \ . . ~ 0 . 5 . 1 0 \ “ k . . . . . \ / p l a i n \ I I 2 3 C o m p r e s s i v e S t r a i n ( 0 . 0 1 ) c . H o o k e d fi b e r s : t F a 1 e t i s g p u e i n r - c 2 . 3 5 s 2 5 o . f 4 E f f e c h e c o m m , m 1 t p s r o f e s K s i fi v b 6 i - e e r b r e h . 9 N e / i n f o r a v m i m o z r , c o e f 1 m e l s n t i n fi d b f e r e n t y p e o n d i c o n c r e t e f . e r c e t d e x e 1 r 1 a r n e d i 5 N b o fi f m r m n . e l t b e . i n . 3 0 1 C o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) s _ . : ’ v — g - - - - - - - - ~ \ \ - / , . — A — . - . . . ~ ~ ~ N a / / ' \ O \ \ / . " ~ / O E ‘ \ s O \ 6 o O \ " p l a i n a . . F i b e r T y p e 2 _ C 9 1 / d 4 3 5 7 7 2 S t r a i g h t - R o u n d i E — — _ _ - — l / d 1 0 ° 7 5 H o o k e d - C o l l a t e d A — O - Q - l / d 5 7 C r i m p e d - C i r c u l a r 0 f ' I I I 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 1 0 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l l d ) a . S t r e n g t h 5 . F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l / d ) 3 0 2 S t r a i n a t P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s ( 0 . 0 0 1 ) F i b e r T y p e O O S t r a i g h t - R o u n d 4 3 5 7 7 2 1 / d — — — E . 5 H o o k e d - C o l l a t e d 1 0 0 7 5 l / d s - - e - — - [ S C r i m p e d - C i r c u l a r 5 7 1 / d b . S t r a i n a t p e a k s t r e s s i C o m p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( 1 b . i n / i n 3 ) 3 0 3 F i b e r T y p e 0 S t r a i g h t - R o u n d 4 3 5 7 7 2 l / d _ _ _ _ _ a 4 0 0 ‘ . H o o k e d - C o l l a t e d 1 0 0 7 5 l / d — . — . e — — A C r i m p e d - C i r c u l a r 5 7 l / d g / 2 0 0 . . 1 ” , a ’ I 1 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l l d ) c . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y J . ‘ Z C o m p r e s s i v e T o u g h n e s s F i b e r T y p e 6 O 9 S t r a i g h t - R o u n d 4 3 5 7 7 2 I / d H o o k e d - C o l l a t e d 1 0 0 7 5 l / d A 5 7 l / d C r i m p e d — C i r c u l a r . 3 ( ) 4 I 0 0 . 5 F i b e r R e i n f o r c e m e n t I n d e x V f ( l l d ) d . T o u g h n e s s i n d e x 3 0 5 D i f f e r e n t f i b e r t y p e s . e s p e c i a l l y t h e h o o k e d o n e s a t h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , p r o v i d e c o n c r e t e s w i t h h i g h e r c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s , p o s s i b l y d u e t o t h e l o w e r p r o - p e a k s t i f f n e s s w h i c h p r o v i d e s t h e m a t e r i a l w i t h h i g h e r p r o - p e a k o r e - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n a n d h i g h e r s t r a i n s a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . A s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 5 . d . c o m p r e s s i v e t o u g h n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a l s o i n c r e a s e s w i t h f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , b u t t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y s e e m s t o r e d u c e t o u g h n e s s i n d e x o f t h e m a t e r i a l a t h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s . T h i s c o n fi r m s t h a t u n w o r k a b l e m i x e s , d u e t o t h e i r l o w e r i n i t i a l s t i f f n e s s . h a v e h i g h e r p r e - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . m n n l i n A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s p e r f o r m e d o n t h e e f f e c t s o f t h e l e n g t h , d i a m e t e r , v o l u m e f r a c t i o n a n d t y p e s o f s t e e l fi b e r s o n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s . T h e fi b e r t y p e s c o n s i d e r e d w e r e s t r a i g h t , c r i m p e d a n d h o o k e d , w i t h l e n g t h s r a n g i n g f r o m 1 . 5 t o 2 . 5 i n ( 3 8 t o 6 3 m m ) , d i a m e t e r s f r o m 0 . 0 2 t o 0 . 0 3 5 i n ( 0 . 3 t o 0 . 8 m m ) r e s u l t i n g i n a s p e c t r a t i o s f r o m 4 3 t o 1 0 0 , a n d v o l u m e f r a c t i o n f r o m 0 . 5 t o 3 % . T h e m i x p r o p o r t i o n s h a d a w a t e r - b i n d e r r a t i o p f 0 . 4 , a fl y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 ( w h i c h w a s d e c i d e d i n o t h e r p h a s e s o f t h e p r o j e c t t o b e t h e o p t i m u m fl y a s h c o n t e n t i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ) , a n a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o 4 . 0 , a c o a r s e - t o - fi n e a g g r e g a t e r a t i o o f 1 . 0 , a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) , a n d a s u p e r p l a s t i c i z e r ( l i q u i d ) - b i n d e r r a t i o o f 0 . 0 1 5 b y w e i g h t . T h e f r e s h m i x w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . 3 0 6 T h e h a r d e n e d m a t e r i a l , f o l l o w i n g 7 d a y s o f m o i s t c u r i n g a n d 2 1 d a y s o f a i r d r y i n g , w a s t e s t e d i n c o m p r e s s i o n a n d fl e x u r e . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . T h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y t e n d s t o b e d a m a g e d b y t h e i n c r e a s e i n f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n t i m e s fi b e r a s p e c t r a t i o ) , a t a r a t e w h i c h i s c o m p a r a b l e f o r d i f f e r e n t f i b e r t y p e s . 2 . A t a s p e c i f i c fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , c r i m p e d fi b e r s p r o d u c e c o n c r e t e s w i t h s l i g h t l y h i g h s l u m p s , w h i l e s t r a i g h t f i b e r s g e n e r a t e m i x t u r e s w i t h s l i g h t l y l o w e r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e ' s . H o o k e d f i b e r s p r o d u c e s l u m p s c o p a r a b l e w i t h s t r a i g h t fi b e r s , b u t g i v e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s w h i c h a r e s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h o s e o f s t r a i g h t a n d c r i m p e d f i b e r s . 3 . T h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e f l e x u r a l l o a d s , a n d t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s ( p r e - a n d p o s t - p e a k ) , o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x u p t o a v a l u e o f a b o u t 1 . 5 a n d t h e n s t a r t s t o d e c r e a s e f o r h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s d u e t o t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y p r o b l e m s . 4 . H o o k e d fi b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , g i v e fl e x u r a l s t r e n g t h s s u p e r i o r t o t h o s e o b t a i n e d w i t h s t r a i g h t a n d c r i m p e d fi b e r s . 3 0 7 5 . S t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , h o w e v e r , s e e m t o b e m o r e p r o n o u n c e d . 6 . H i g h fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , d u e t o t h e i r d a m a g e t o t h e c o m p a c t i b i l i t y o f f r e s h m i x t u r e s w h i c h l e a d s t o h i g h e n t r a p p e d a i r c o n t e n t s , t e n d t o r e d u c e t h e p r o - p e a k s t i f f n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d i n c r e a s e t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . ( s e e F i g u r e s 3 . 1 . a ) . 3 v 5 . 3 . 2 0 , 4 0 - 4 6 C H A P T E R 3 W W M a j o r e f f o r t s h a v e b e e n m a d e i n t h e r e c e n t y e a r s t o o p t i m i z e t h e s h a p e o f s t e e l fi b e r s f o r a c h i e v i n g i m p r o v e d fi b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s , a n d f o r e n h a n c i n g fi b e r d i s p e r s a b i l i t y i n t h e c o n c r e t e m a t r i x . T h e s t e e l fi b e r s u s e d t o d a y a r e n o m o r e t h e s t r a i g h t r o u n d w i r e s w h i c h w e r e s i m p l y c u t f r o m n o r m a l d r a w n w i r e s . S t e e l f i b e r s a r e n o w a v a i l a b l e i n m a n y d e f o r m e d s h a p e s w h i c h a r e c l a i m e d t o p r o d u c e b e t t e r m e c h a n i c a l b o n d i n g t o c o n c r e t e m a t r i c e s t h a n s t r a i g h t r o u n d w i r e s W i r e s w i t h a c i r c u l a r c r o s s - s e c t i o n a r e p r o d u c e d b y n o r m a l w i r e d r a w i n g t e c h n i q u e s w h i c h c a n b e r e l a t i v e l y e x p e n s i v e . T h e p r o d u c t i o n m e t h o d u t i l i z i n g s l i t s h e e t r e s u l t s i n r e c t a n g u l a r s e c t i o n fi b e r s w h i c h m a y b e p r o d u c e d a t r e l a t i v e l y l o w c o s t s w h e n s u p p l i e s o f s c r a p m e t a l s h e e t s a r e r e a d i l y a v a i l a b l e . 5 A n o t h e r c o s t e f f e c t i v e fi b e r p r o d u c t i o n t e c h n i q u e i s t h e m e l t e x t r a c t p r o c e s s . M e l t e x t r a c t fi b e r s d i f f e r f r o m d r a w n w i r e fi b e r s d u e t o t h e i r k i d n e y s h a p e d c r o s s - s e c t i o n . T h e fi b e r c o n t o u r i s a l s o i r r e g u l a r r e s u l t i n g i n a n i m p r o v e d m e c h a n i c a l b o n d t o c o n c r e t e m a t r i c e s . T h e r a p i d s o l i d i fi c a t i o n o f t h e fi b e r s a l s o c a u s e s a r o u g h t e x t u r e w h i c h i m p r o v e s t h e a d h e s i o n a n d f r i c t i o n a l b o n d . T h e m e l t e x t r a c t 3 0 8 3 0 9 t e c h n i q u e c a n b e a p p l i e d t o c h r o m i u m s t e e l , s t a i n l e s s s t e e l , a s w e l l a s c a r b o n s t e e l s v 4 3 F i g u r e 3 . 1 . b p r o v i d e s s k e t c h e s o f t h e r o u n d , r e c t a n g u l a r a n d i r r e g u l a r c r o s s - s e c t i o n a l s h a p e s d i s c u s s e d a b o v e . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t s o m e f i b e r d e f o r m a t i o n s m i g h t m a k e t h e m b r i t t l e . a n d s o m e o t h e r d e f o r m a t i o n s m i g h t p r o d u c e l o c a l s t r e s s c o n c e n t r a t i o n s i n t h e m a t r i x a n d a c t u a l l y d a m a g e t h e b e h a v i o r . 3 v 5 ' 4 ° T h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d fi b e r d i s p e r s a b i l i t y m a y a l s o b e n e g a t i v e l y ( o r s o m e t i m e s p o s i t i v e l y ) i n fl u e n c e d b y fi b e r d e f c r r n a t i o n s . 1 9 1 2 0 ' 4 4 ' 4 5 E x c e s s i v e b o n d s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m fi b e r d e f o r m a t i o n s m a y a l s o l e a d t o f i b e r r u p t u r e I ( r a t h e r t h a n fi b e r p u l l - o u t ) d o m i n a t i n g f a i l u r e o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . T h i s c o u l d d a m a g e s o m e a s p e c t s o f t h e m a t e r i a l b e h a v i o r . A l l t h e s e f a c t o r s s o u l d b e c o n s i d e r e d i n s e l e c t i n g a n o p t i m u m fi b e r s h a p e f o r s p e c i fi c a p p l i c a t i o n s ? “ 5 B a i l i n g o f fi b e r s i n t h e f r e s h m i x a n d r e d u c t i o n o f w o r k a b i l i t y i n t h e p r e s e n c e o f fi b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s , m a y c o m p l i c a t e t h e e f f o r t s f o r t a k i n g f u l l a d v a n t a g e o f f i b e r s i n c o n c r e t e . I n a n a t t e m p t t o o v e r c o m e t h e f r e s h m i x p r o b l e m s , a n a p p r o a c h i n v o l v i n g t h e u s e o f a w a t e r - s o l u b l e a d h e s i v e t o g l u e f i b e r s t o g e t h e r i n b u n d l e s h a s b e e n d e v e l o p e d e v 2 1 T h e i d e a i s t o i m p r o v e w o r k a b i l i t y a n d e l i m i n a t e fi b e r b a l l i n g b y fi r s t d i s p e r s i n g t h e f i b e r b u n d l e s , a n d t h e n ( a s t h e a d h e s i v e d i s o l v e s ) d i s p e r s i n g t h e i n d i v i d u a l fi b e r s w i t h t h e m i x i n g a c t i o n . 8 F i g u r e 3 . 1 . c s h o w s a b u n d l e o f h o o k e d fi b e r s g l u e d t o g e t h e r w i t h a w a t e r s o l u b l e a d h e s i v e . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t i n a d d i t i o n t o m e c h a n i c a l l y d e f o r m i n g s t e e l fi b e r s , v a r i o u s c h e m i c a l a n d p h y s i c a l t r e a t m e n t s h a v e a l s o b e e n t r i e d t o i m p r o v e t h e w i r e s u r f a c e b o n d i n g t o c e m e n t i t i o u s p a s t e ! “ 5 T h e s e a t t e m p t s h a v e l e d t o s o m e s r . x o u n d ( w i r e ) r e c t a n g u l a r ( s h e e t ) X r i r e g u l a r ( m e l t e x t r a c t ) c . F i b e r s g l u e d t o g e t h e r i n t o a b u n d l e 3 1 0 s t r a i g h t h o o k e d c r i m p e d d o u b l e o r d i n a r y d u o f o r m d u o f o r m p a d d l e d e n l a r g e d i r r e g u l a r i n d e n t e d e n d s a . S t e e l fi b e r s h a p e s b . S t e e l fi b e r c r o s s - s e c t i o n s F i g u r e 3 . 1 : D i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 1 1 i m p r o v e m e n t s i n t h e p u l l - o u t s t r e n g t h o f s i n g l e fi b e r s , b u t t h e i m p r o v e m e n t s i n t h e o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e h a s b e e n m u c h l e s s p r o n o u n c e d . M e a s u r e d v a l u e s o f t e n s i l e s t r e n g t h f o r i n d i v i d u a l fi b e r s h a v e b e e n v a r i e d f r o m 4 0 K s i ( 1 7 6 M P a ) t o 3 5 0 K s i ( 2 4 1 3 M F ’ a ) 1 ' 4 ' 5 ' 4 ° ' 4 7 w i t h t h e l o w e r t e n s i l e s t r e n g t h u s u a l l y b e l o n g i n g t o t h e b a d l y d e f o r m e d fi b e r s . S t e e l fi b e r s u s u a l l y r a n g e i n l e n g t h f r o m 0 . 5 i n t o 3 i n ( 1 3 m m t o 7 6 m m ) , a n d i n d i a m e t e r f r o m 0 . 0 0 5 i n t o 0 . 0 4 i n ( 0 . 1 3 m m t o 1 m m ) . I n t h e s e l e c t i o n o f a f i b e r t y p e f o r a s p e c i fi c j o b , d u e c o n s i d e r a t i o n s h o u l d b e g i v e n n o t o n l y t o t h e p e r f o r m a n c e a d v a n t a g e s r e s u l t i n g f r o m c e r t a i n fi b e r d e f o r m a t i o n s , b u t a l s o t o t h e p o s s i b l e i n c r e a s e i n c o s t o f fi b e r s a t a s p e c i f i c j o b s i t e r e s u l t i n g f r o m t h e a p p l i e d d e f o r m a t i o n s . T h e e x a c t d e t a i l s o f c o s t i n c r e a s e w o u l d s t r o n g l y d e p e n d o n g e o g r a p h i c l o c a t i o n s , a n d t h e y s h o u l d b e j u s t i fi e d b y t h e p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t s w h i c h a r e o f i n t e r e s t . W A f r e s h fi b r o u s m i x m a y b e c h a r a c t e r i z e d b y i t s w o r k a b i l i t y a n d fi b e r d i s p e r s a b i l i t y . B o t h o f t h e s e a s p e c t s o f f r e s h m i x p e r f o r m a n c e a r e i n fl u e n c e d b y fi b e r v o l u m e f r a c t i o n , g e o m e t r y a n d t y p e . W o r k a b i l i t y i s a c t u a l l y a c o l l e c t i v e t e r m r e p r e s e n t i n g s o m e e s s e n t i a l p r o p e r t i e s o f 3 1 2 c o n c r e t e i n t h e p l a s t i c c o n d i t i o n , i n c l u d i n g i t s f l o w a b i l i t y , c o m p a c t i b i l i t y , s t a b i l i t y a g a i n s t s e g r e g a t i o n a n d fi n i s h a b i l i t y . T h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h c o n c r e t e d e t e r m i n e s w h e t h e r s a t i s f a c t o r y h a n d l i n g , p l a c i n g , c o m p a c t i o n a n d f i n i s h i n g o f t h e m a t e r i a l i s p o s s i b l e i n a g i v e n s i t u a t i o n . T h e w o r k a b i l i t y o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e i s u s u a l l y a s s e s s e d b y t h e s i m p l e p r a c t i c a l s l u m p t e s t . I n t h e c a s e o f f i b r o u s c o n c r e t e , h o w e v e r , s l u m p i s u s u a l l y c l o s e t o z e r o , w h i l e m a t e r i a l m a y b e c o m p a c t a b l e t o a c e r t a i n d e g r e e w h i c h d e p e n d s o n t h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s . 1 " 1 1 5 3 4 9 3 “ 4 7 S i n c e t h e c o m p a c t i o n o f s t r u c t u r a l c o n c r e t e s i s n o r m a l l y c a r r i e d o u t b y v i b r a t i o n , t h e V e b e c o n s i S t o m e t e r a n d t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t s , 1 ' 4 ' 5 ' 8 ' 9 ' 1 9 ' 4 7 w h i c h u s e v i b r a t i o n t o r e m o l d t h e f r e s h m a t e r i a l , a r e m o r e a p p r o p r i a t e f o r a s s e s s i n g t h e f i b r o u s c o n c r e t e w o r k a b i l i t y ( c o m p a t i b i l i t y ) i n s i t u a t i o n s w h i c h r e a s o n a b l y s i m u l a t e s t h e p r a c t i c a l c o n d i t i o n s . T h e V e b e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t s a c t u a l l y p r o v i d e m e a s u r e s o f p r a c t i c a l c o m b i n a t i o n o f t h e c o m p a c t i b i i t y a n d f l o w a b i l i t y o f v i b r a t e d f r e s h m i x . A c o l l e c t i o n o f l o n g t h i n fi b e r s w i t h l e n g t h t o d i a m e t e r r a t i o ( a s p e c t r a t i o ) g r e a t e r t h a n 1 0 0 t e n d s t o i n t e r l o c k u n d e r s h a k i n g a n d f o r m a m a t w h e r e i t i s d i f f i c u l t t o d i s l o d g e fi b e r s b y v i b r a t i o n a l o n e . S h o r t s t u b b y fi b e r s w i t h a s p e c t r a t i o s l e s s t h a n 5 0 , o n t h e o t h e r h a n d , a r e n o t a b l e t o i n t e r l o c k a n d i t i s p o s s i b l e t o d i s p e r s e t h e m b y v i b r a t i o n . 5 T h e s e e f f e c t s c a n a l s o b e o b s e r v e d w h e n t h e f i b e r s a r e d i s p e r s e d i n m o r t a r o r i n c o n c r e t e . T h e p r e s e n c e o f fi b e r s r e d u c e s t h e o v e r a l l w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x a n d t h i s e f f e c t i s m o r e p r o n o u n c e d i n s i t u a t i o n s w i t h h i g h e r fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s , a n d / o r h i g h e r fi b e r a s p e c t r a t i o s . F o r e a c h a s p e c t r a t i o , t h e r e i s 3 1 3 u s u a l l y a m a x i m u m v o l u m e f r a c t i o n o f fi b e r s b e y o n d w h i c h t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x i s u n s a t i s f a c t o r y f o r a s p e c i f i c j o b . 5 D u e t o t h e r e d u c e d w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m t h e p r e s e n c e o f fi b e r s , t h e a m o u n t o f a i r l e f t e n t r a p p e d a f t e r c o m p a c t i o n i s o f t e n i n c r e a s e d . T h i s f a c t a d v e r s e l y i n fl u e n c e s t h e s t r e n g t h o f f i b e r c o n c r 8 1 6 . 1 T h e r e a r e o n l y l i m i t e d t e s t d a t a r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r t y p e o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . R e f e r e n c e 8 h a s c o m p a r e d t h e V e b e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s , a n d t h e s l u m p s o f f i b r o u s c o n c r e t e s w i t h s t r a i g h t a n d h o o k e d - e n d ( g l u e d t o g e t h e r i n t o b u n d l e s ) f i b e r s . T h e l i m i t e d t e s t d a t a d o n o t s h o w a n y c o n s i s t e n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e w o r k a b i l i t y o f fi b r o u s m i x e s i n c o r p o r a t i n g s t r a i g h t a n d h o o k e d e n d f i b e r s a t c o m p a r a b l e fi b e r r e i n f o r c e m e n t , i n d e x e s ( V , l / d ) . R e f e r e n c e 2 0 h a s p e r f o r m e d V e b e t e s t s o n f i b r o u s m i x e s i n c o r p o r a t i n g d u o f o r m a n d s t r a i g h t s t e e l fi b e r s . F i g u r e 3 . 2 p r e s e n t s t h e m e a s u r e d V e b e t i m e s i n t e r m s o f V , ( V d ) 2 f o r s t r a i g h t a n d d u o f o r m fi b e r s . T h e t e s t d a t a p r e s e n t e d i n t h i s fi g u r e a r e v e r y l i m i t e d a n d i t i s h a r d t o s e e a n y c o n s i s t e n t e f f e c t s o f fi b e r t y p e ( d u o f o r m v s . s t r a i g h t ) . R e f e r e n c e 1 9 h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f s l u m p a n d V e b e t e s t s o n s t r a i g h t - r o u n d , d u o f o r m , c r i m p e d a n d h o o k e d s t e e l fi b e r s o f d i f f e r e n t l e n g t h s a n d d i a m e t e r s a t a c o n s t a n t fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 5 % . T h e s l u m p s a n d V e b e t i m e s o f R e f e r e n c e 1 9 a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 . 3 . a a n d 3 . 3 . b . T h e s e fi g u r e s i n d i c a t e t h a t t h e 3 1 4 1 5 " V e b e t i m e ( s e c . ) A - O A O A o O 5 . — A s t r a i g h t r o u n d . d u o f o r m t I r v i a l / c 1 ) 2 5 0 1 0 0 1 5 0 F i g u r e 3 . 2 : V e b e t e s t r e s u l t s f o r f i b r o u s c o n c r e t e w i t h d u o f o r m a n d s t r a i g h t fi b e r s . 2 0 ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( V f ) = 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 . 0 , f i n e - t o - c c a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) 3 1 5 a s p e c t r a t i o 1 5 0 q . s t r a i g h t r o u n d A d u o f o r m I h o o k e d . c r i m p e d E ' \ \ 1 0 0 - — 5 0 “ 4 S l u m p ( i n ) a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . 4 m m F i g u r e 3 . 3 : E f f e c t o f fi b e r t y p e o n t h e s l u m p a n d V e b e t i m e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 9 ( V f = 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o . . 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) ) . a s p e c t r a t i o 1 5 0 — , ’ ’ o A 1 “ I I / I 1 0 0 - “ 5 0 . . . L 0 t r o u n d s d t u r o a f i o g r h m h c o r o i k m e p d e d I 0 3 V e ( b S e e e t c i . m ) . I 0 2 I 1 0 b . V e b e t i m e 1 3 1 6 3 1 7 s t r a i g h t - r o u n d , d u o f o r m a n d h o o k e d f i b e r s s h o w s i m i l a r w o r k a b i l i t i e s a t s c o m p a r a b l e f i b e r a s p e c t r a t i o s a n d v o l u m e f r a c t i o n s . T h e c r i m p e d f i b e r s , h o w e v e r , g e n e r a l l y s h o w b e t t e r w o r k a b i l i t i e s ( h i g h e r s l u m p s a n d l o w e r V e b e t i m e s ) . A t e n d e n c y t o w a r d b a l l i n g a n d n o n - u n i f o r m d i s p e r s i o n o f f i b e r s i s a s e r i o u s p r o b l e m i n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . B a l l i n g d u r i n g m i x i n g i s u s u a l l y m o r e p r o n o u n c e d w h e n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d / o r f i b e r a s p e c t r a t i o i n c r e a s e . 1 ' 4 ' 5 ' 8 ' 9 ' 1 6 1 1 9 ' 2 1 ' 4 7 N o t m u c h i n f o r m a t i o n i s a v a i l a b l e o n t h e e f f e c t o f f i b e r t y p e o n d i s p e r s a b i l i t y ( w h i c h i s a d i f fi c u l t p r o p e r t y t o m e a s u r e a n d i s u s u a l l y a s s e s s e d s u b j e c t i v e l y ) . T h e r e i s , h o w e v e r , s o m e . i n f o r m a t i o n a v a i l a b l e o n t h e e f f e c t o f b u n d l i n g t h e fi b e r s t o g e t h e r w i t h a w a t e r s o l u b l e g l u e o n t h e d i s p e r s a b i l i t y o f fi b e r s i n c o n c r e t e m i x t u r e s . 4 ' 8 ' 1 6 ' 2 1 W h e n s u c h c o l l a t e d fi b e r s a r e i n t r o d u c e d i n c o n c r e t e , t h e y p r e s e n t a f i c t i t i o u s l y l o w a s p e c t r a t i o , w h i c h i s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l e n g t h a n d t h e f i c t i t i o u s d i a m e t e r o f t h e f i b e r b u n d l e . T h i s d i a m e t e r i s o b t a i n e d c o n s i d e r i n g t h a t t h e m e a s u r e d p e r i m e t e r o f t h e b u n d l e c o r r e s p o n d s t o a c i r c u l a r s e c t i o n . 2 1 A t t h i s f i c t i t i o u s a s p e c t r a t i o , t h e b u n d l e s d i s p e r s e r a t h e r c o n v e n i e n t l y i n s i d e c o n c r e t e . T h e m i x i n g p r o c e s s p r o d u c e s p r o g r e s s i v e s e p a r a t i o n o f f i b e r s a n d t h u s i n c r e a s e s t h e i r a s p e c t r a t i o . H o w e v e r , s i n c e t h e b u n d l e s a r e a l r e a d y d i s p e r s e d , t h e d i s p e r s i o n o f s i n g l e fi b e r s c a n a l s o b e a c h i e v e d r a t h e r c o n v e n i e n t l y . D u e t o t h e i r r e l a t i v e l y h i g h d i s p e r s a b i l i t y , t h e c o l l a t e d s t e e l fi b e r s d o n o t r e q u i r e s p e c i a l m i x i n g p r o c e d u r e a n d t h e y c a n b e s i m p l y d u m p e d i n t o t h e m i x e d c o n c r e t e m a t r i x a n d d i s p e r s e d b y 3 1 8 c o n t i n u a t i o n o f m i x i n g . 4 v 5 - 8 v 1 6 W i c c a E e d c r m a n c c E x p e r i m e n t a l d a t a r e l a t e d t o t h e e f f e c t s o f f i b e r t y p e o n t h e b e h a v i o r o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r d i r e c t t e n s i o n , f l e x u r e a n d c o m p r e s s i o n l o a d i n g a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . 3 . 3 . 3 W T h e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r d i r e c t t e n s i o n c a n p r o v i d e i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n o n t h e m e c h a n i s m o f a c t i o n o f s t e e l fi b e r s i n c o n c r e t e . R e f e r e n c e s 3 3 , 3 6 a n d 4 2 h a v e e x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t o f s t e e l fi b e r d e f o r m a t i o n o n t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r d i r e c t t e n s i l e l o a d s . R e f e r e n c e 3 3 h a s b e e n c o n c e r n e d m a i n l y w i t h t h e p r e - p e a k b e h a v i o r o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t c i r c u l a r ( 0 . 0 1 0 i n = 0 . 2 5 m m a n d 0 . 0 1 6 i n = 0 . 4 1 m m d i a m e t e r ) , r e c t a n g u l a r ( 0 . 0 1 6 x 0 . 0 2 0 i n = 0 . 2 5 x 0 . 5 0 m m c o r s s - s e c t i o n ) a n d d u o f o r m ( 0 . 0 1 6 i n . 0 . 4 1 m m d i a m e t e r ) s t e e l fi b e r s . T h e m a t r i x i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s m o r t a r w i t h t y p e I c e m e n t . W a t e r - c e m e n t r a t i o w a s 0 . 6 0 a n d s a n d - c e m e n t r a t i o w a s 3 . 0 . N o c o n s i s t e n t d i f f e r e n c e c o u l d b e f o u n d i n t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d s t r a i n a t p e a k s t r e s s o f t h e f o u r fi b e r t y p e s u s e d i n t h i s s t u d y ( s e e F i g u r e 3 . 4 ) . O f p a r t i c u l a r i n t e r e s t i s t h e f a c t t h a t t h e d u o f o r m f i b e r s , i n s p i t e o f t h e h i g h e r i n d i v i d u a l fi b e r p u l l - o u t r e s i s t a n c e , a r e n o t m o r e e f f e c t i v e t h a n c o m p a r a b l e c i r c u l a r a n d r e c t a n g u l a r fi b e r s i n i n c r e a s i n g t h e d i r e c t t e n s i l e 3 1 9 t e n s i l e s t r e n g t h i n c r e a s e i n ( P s i ) t e n s i l e O 0 . 0 1 0 i n c i r c u l a r 7 0 0 I t l ' fi t I B F I I M ) _ _ 1 I 0 . 0 1 6 i n c i r c u l a r ( Z ) A 0 . 0 1 0 x 0 . 0 2 0 i n r e c t a n g u l a r . 0 . 0 1 6 i n d u o f o r m I O . _ 6 5 0 3 0 — 1 l . A O - — - 6 0 0 2 0 " I o a O . I 0 0 _ . 5 5 0 1 0 — A A A . I A . O O , I 0 I A _ 5 0 0 0 I . I I T T V f ( 1 / d ) 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 a . T e n s i l e s t r e n g t h F i g u r e 3 . 4 : I n c r e a s e i n d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h a n d s t r a i n a t p e a k s t r e s s o f m o r t a r r e s u l t i n g f r o m r e i n f o r c m e n t w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 5 0 , s a n d - c e m e n t r a t i o a 3 . 0 , p r i s m a t i c s p e c i m e n l e n g t h a 3 0 i n ( 7 6 2 m m ) a n d c r o s s - s e c t i o n - 4 x 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 m m ) ) 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a . 3 2 0 i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s “ 0 " ( Z ) 3 0 ‘ — 2 0 ‘ — 1 0 - s t r a i n a t o 0 . 0 1 0 i n c i r c u l a r p e a k t e n s i l e I 0 . 0 1 6 i n c i r c u l a r . s t r e s s ( 3 ‘ 1 0 ) A 0 . 0 1 0 x 0 . 0 2 0 i n r e c t a n g u l a r . 0 . 0 1 6 i n d u o f o r m I A _ . 1 9 0 I . I I I . . A . I I a s I I I I 0 “ ! . _ . l 7 0 A A . A . . . 1 1 D 1 1 . O A I I — - 1 5 0 " 1 0 I I I 4 ‘ 7 1 1 4 3 5 0 1 0 0 1 5 0 b . S t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s z o o V f ( £ / d ) 3 2 1 s t r e n g t h o f c o n c r e t e . R e f e r e n c e 3 6 a l s o h a s i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t s o f fi b e r t y p e o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f a c o n c r e t e m i x t u r e r e i n f o r c e d w i t h r o u n d - s t r a i g h t , d u o f o r m , c r i m p e d a n d h o o k e d fi b e r s o f d i f f e r e n t d i a m e t e r s a n d l e n g t h s . T h e c o n c r e t e m a t r i x c o n t a i n e d p o r t l a n d c e m e n t t y p e I , a n d h a d a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o o f 4 . 0 , a n d fi n e a g g r e g a t e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o o f 0 . 6 . T h e c o a r s e a g g r e g a t e w a s c r u s h e d g r a v e l w i t h a m a x i m u m s i z e o f 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) . F i g u r e 3 . 5 s h o w s t h e p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n u l t i m a t e s t r e n g t h a s a f u n c t i o n o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( V , V d ) . H e r e . a l s o , t h e t y p e o f f i b e r i s o b s e r v e d t o h a v e n o c o n s i s t e n t e f f e c t o n t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e e f f e c t o f fi b e r t y p e o n t h e c o m p l e t e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o r u n d e r d i r e c t t e n s i o n h a s b e e n r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 4 2 . S t r a i g h t - r o u n d f i b e r s 1 i n ( 2 5 m m ) l o n g x 0 . 0 1 5 i n ( 0 . 3 8 m m ) d i a m e t e r , h o o k e d fi b e r s 1 . 2 i n ( 3 0 m m ) l o n g x 0 . 0 1 6 i n ( 0 . 4 0 m m ) d i a m e t e r a n d p a d d e l e d fi b e r s 2 i n ( 5 0 m m ) l o n g x 0 . 0 3 0 i n ( 0 . 7 5 m m ) d i a m e t e r w e r e u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e m a t r i x w a s m o r t a r w i t h a W a t e r - c e m e n t r a t i o o f 2 . 5 . T h e c o m p l e t e s t r e s s — s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f m o r t a r s r e i n f o r c e d w i t h t h e t h r e e fi b e r t y p e s a r e s h o w i n F i g u r e 3 . 6 . I n t h e c o m p a r i s o n o f t h e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f F i g u r e 3 . 6 , i t s h o u l d b e c o n s i d e r e d t h a t t h e d i f f e r e n t fi b e r s h a p e s h a v e d i f f e r e n t a s p e c t r a t i o s . F r o m t h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 3 . 6 , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e r e i s o n l y a s l i g h t 3 2 2 i n c r e a s e i n t e n s i l e 5 0 s t r e n g t h ( I ) A e A O 6 0 - “ l . e A - 2 0 — . A A - A 1 0 4 0 s t r a i g h t r o u n d 0 A d u o f o r n 0 { I l c r i n p e d o I l l v f ( . " ) s o 1 0 0 1 5 0 4 F i g u r e 3 . 5 : I n c r e a s e i n t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m r e i n f o r c e m e n t w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 6 ( V f = 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o - 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c y l i n d r i c a l s p e c i m e n l e n g t h = 1 4 i n ( 3 5 6 m m ) a n d s p e c i m e n d i a m e t e r - 3 . 1 2 i n ( 8 0 m m ) ) 3 2 3 4 0 0 — l t e n s i l e s t r a i n ( p s i ) 3 0 0 - 2 0 0 - — 1 0 0 — - s t r a i g h t r o u n d 0 . 0 1 5 x 1 . 0 0 i n _ . _ — — — h o o k e d 0 . 0 1 6 x 1 . 1 8 i n _ . . . _ — p a d d l e d 0 . 0 3 0 x 2 . 0 0 i n t e n s i l e T E 1 r s l ' 1 2 I 1 6 " " 1 “ x 1 0 ’ 3 F i g u r e 3 . 6 : C o m p l e t e d i r e c t t e n s i l e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 4 2 ( V f = 1 . 7 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 5 , s a n d - c e m e n t r a t i o - 2 . 5 , p r e s m a t i c s p e c i m e n l e n g t h = 3 9 . 4 i n ( 1 0 0 0 m m ) a n d s p e c i m e n c r o s s - s e c t i o n - 7 . 8 x 2 i n ( 2 0 0 x 5 0 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 6 . 9 M P a 3 2 4 d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e o v e r a l l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p o f s t r a i g h t , h o o k e d a n d p a d d e l e d s t e e l f i b e r s . R e f e r e n c e 4 2 s u g g e s t s t h a t t h e o b s e r v e d d i f f e r e n c e s i n t h e d i r e c t t e n s i l e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e m u c h l e s s t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g d i f f e r e n c e s i n t h e i n d i v i d u a l fi b e r p u l l - o u t b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m t h e u s e o f d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 3 . 3 . b W : R e f e r e n c e 3 h a s r e p o r t e d f l e x u r a l t e s t d a t a o n c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t - r o u n d . d u o f o r m , h o o k e d a n d c r i m p e d s t e e l f i b e r s . T h e c o n c r e t e h a d a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o o f 4 . 0 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o o f 0 . 6 a n d a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) . O r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t w a s u s e d a n d t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n 4 i n x 4 i n x 2 0 i n ( 1 0 2 m m x 1 0 2 m m x 5 0 8 m m ) b e a m s u n d e r c e n t e r p o i n t fl e x u r a l l o a d i n g o v e r a s p a n o f 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) . T h e s p e c i m e n s w e r e m o i s t c u r e d u n t i l t h e a g e o f 3 0 d a y s . F i g u r e s 3 . 7 . a a n d 3 . 7 . b c o m p a r e t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s f o r c o n c r e t e b e a m s r e i n f o r c e d w i t h 1 . 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f d i f f e r e n t fi b e r t y p e s , h a v i n g a s p e c t r a t i o s o f a b o u t 1 0 0 a n d 7 5 , r e s p e c t i v e l y . T h e r e s u l t s i n F i g u r e 3 . 7 i n d i c a t e t h a t t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e s p e c i a l l y t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s d e p e n d e n t o n t h e f i b e r d e f o r m a t i o n s . D u o f o r m s t e e l fi b e r s s e e m t o b e t h e m o s t e f fi c i e n t f o l l o w e d b y h o o k e d fi b e r s . C r i m p e d a n d s t r a i g h t fi b e r s s e e m t o b e t h e l e a s t e f f i c i e n t a m o n g t h e fi b e r t y p e s c o n s i d e r e d i n F i g u r e 3 . 7 . T h e e f f e c t s o f f i b e r d e f o r m a t i o n s o n f l e x u r a l s t r e n g t h s e e m t o b e m o r e p r o n o u n c e d i n t h e c a s e o f fi b e r s o f h i g h e r a s p e c t r a t i o . I t i s i n t e r e s t i n g t o n o t e t h a t c r i m p e d fi b e r s , i n s p i t e o f t h e i r s e e m i n g l y h i g h 3 2 5 7 — f l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 6 . 1 5 . _ 0 . 0 2 5 x 2 . 3 2 i n o ‘ . ~ . § . . 0 . 0 1 4 x 1 . 6 1 i n 4 . _ . " ) ( " \ 0 . 0 2 0 x 1 . 5 7 i n 3 - 1 ' \ - — Z . : - _ ° ; { : Z Z _ _ . : _ _ _ : _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 0 . 0 1 5 x 1 . 5 0 i n _ _ d u o f o r m " " ' " " " " " s t r a i g h t r o u n d l - ‘ — " " ’ — h o o k e d — _ c r i m p e d 0 I I T I I I I I f l e x u r a l 2 . 5 5 . 0 7 . 5 1 0 . 0 d e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) a . W = 9 3 - 1 0 7 F i g u r e 3 . 7 : E f f e c t s o f s t e e l fi b e r d e f o r m a t i o n s o n t h e f e l x u r a l b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 3 ( V , a 1 . 5 % , w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o a 4 . 0 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e r a t i o - 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , c e n t r a l l y l o a d e d b e a m s o f 4 x 4 x 3 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) a n d s p a n l e n g t h - 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N 3 2 6 f l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 0 . 0 2 0 x 1 . 5 0 i n _ / - _ — \ 0 . 0 3 0 x 2 . 3 2 i n 0 . 0 2 0 x 1 . 5 0 i n . . A . ~ . . . ‘ l — — ‘ O o 0 . 0 3 0 x 1 . 9 3 i n d u o f o r m - - - " ’ — ' s t r a i g h t r o u n d _ _ . . _ . c r i m p e d f l e x u r a l d e f l e c t i o n ( 0 . 0 1 i n ) 5 . 0 7 . 5 1 0 . 0 b . l / d = 6 8 . 8 2 3 2 7 m e c h a n i c a l b o n d i n g c a p a b i l i t i e s , p r o d u c e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h r e l a t i v e l y l o w s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s . R e f e r e n c e 3 a t t r i b u t e s t h i s o b s e r v a t i o n t o t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n g e n e r a t e d a r o u n d t h e c l o s e l y s p a c e d c o r r u g a t i o n s o f c r i m p e d fi b e r s . R e f e r e n c e 2 s u g g e s t s t h a t t h e r e i s s t i l l c o n s i d e r a b l e s c o p e f o r f u r t h e r i m p r o v e m e n t s i n t h e s h a p e o f s t e e l f i b e r s . R e f e r e n c e 8 r e p o r t e d a c o m p a r a t i v e s t u d y o n t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f h o o k e d - c o l l a t e d a n d s t r a i g h t - r e c t a n g u l a r s t e e l fi b e r s . T h e c o n c r e t e m a t r i x h a s a w a t e r - c e m e n t r a t i o o f 0 . 4 3 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o o f 4 . 1 6 , c o a r s e - t o - fi n e a g g r e g a t e r a t i o o f 0 . 9 5 a n d a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) . A i r e n t r a i n i n g a n d w a t e r - r e d u c i n g a g e n t s w e r e a l s o u s e d . T h e t e s t s p e c i m e n s w e r e 4 i n x 4 i n x 1 4 i n ( 1 0 2 m m x 1 0 2 m m x 5 0 2 m m ) . T h e h o o k e d fi b e r s h a d a n a s p e c t r a t i o o f 1 0 0 , w h i l e t h e e q u i v a l e n t a s p e c t r a t i o o f s t r a i g h t - r e c t a n g u l a r f i b e r s w a s 6 0 . F i g u r e 3 . 8 p r e s e n t s t h e f l e x u r a l l o a d - d e f o r r n a t l o n r e l a t i o n s h i p s o f t h e s t r a i g h t a n d h o o k e d fi b e r s , b o t h a t a fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( V f l / d ) o f a b o u t 6 0 . F i g u r e 3 . 8 i n d i c a t e s t h a t t h e h o o k e d fi b e r s w e r e f a r m o r e e f fi c i e n t t h a n t h e s t r a i g h t o n e s i n i m p r o v i n g t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s o f c o n c r e t e . T h e i n e f f i c i e n c y o f s t r a i g h t f i b e r s i n F i g u r e 3 . 8 c o u l d p a r t i a l l y b e a r e s u l t o f t h e i r r e l a t i v e l y s h o r t l e n g t h . T h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f fi b r o u s s p e c i m e n s r e i n f o r c e d w i t h h o o k e d fi b e r s w a s o n t h e a v e r a g e 2 t o 3 t i m e s g r e a t e r t h a n t h o s e r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t f i b e r s . R e f e r e n c e 8 r e p o r t e d t h a t t h e f a i l u r e m o d e s i n c o n c r e t e s i n c o r p o r a t i n g s t r a i g h t fi b e r s w a s s t r i c t l y a b o n d f a i l u r e , w h i l e t h e h o o k e d fi b e r s w i t h h i g h e r m e c h a n i c a l 3 2 8 ( f l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 5 a l l 4 ‘ — h o o k e d f i b e r s 0 . 0 2 0 x 2 . 0 0 i n , V f - 0 . 6 2 a - . \ v f r z / d ) - 6 0 I \ \ ' \ 2 d I \ \ O ' ‘ \ I \ 1 - ° \ s t r a i g h t r e c t a n g u l a r f i b e r s , 0 . 0 1 0 x 0 . 0 2 2 x 1 . 0 0 i n . I \ \ _ ~ v f - 1 : v i m / d ) - 6 0 p l a i n c o n c r e t e “ ' - - - ~ _ . _ _ _ _ _ _ _ I I j I I I 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 0 . 1 2 f l e x u r a l d e f l e c t i o n ( i n ) F i g u r e 3 . 8 : F l e x u r a l b e h a v i o r o f fi b r o u s c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h h o o k e d a n d s t r a i g h t s t e e l f i b e r s . 8 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 3 , a g g r e g a t e — c e m e n t r a t i o = 4 . 1 6 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = - 1 . 0 5 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e = 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) , a n d s p e c i m e n s w e r e 4 x 4 x 1 4 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 3 5 5 m m ) l o a d e d a t o n e - t h i r d p o i n t l o a d i n g o v e r a s p a n o f 1 2 i n ( 3 0 5 m m ) ) . 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N 3 2 9 b o n d i n g t o t h e m a t r i x , f a i l e d p a r t i a l l y b y f i b e r r u p t u r e . T h e v a r i a t i o n i n f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s i n c o r p o r a t i n g s t r a i g h t f i b e r s w a s o b s e r v e d i n t h e t e s t s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 8 t o b e s m a l l e r t h a n t h o s e w i t h h o o k e d f i b e r s . F i g u r e 3 . 8 a l s o i n d i c a t e s t h a t t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s m o r e s e n s i t i v e t o v a r i a t i o n s i n fi b e r t y p e t h a n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h . F i g u r e 3 . 9 f r o m R e f e r e n c e 1 s u m m a r i z e s t h e m e a s u r e d i n c r e a s e s ( d u e t o f i b e r r e i n f o r r n c e m e n t ) i n fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e . T h e s t e e l fi b e r s c o n s i d e r e d i n t h i s fi g u r e a r e s t r a i g h t - r o u n d . s t r a i g h t - r e c t a n g u l a r a n d d u o f o r m . T h e fi b e r s u s e d h a d w i d e r a n g e s o f l e n g t h s a n d d i a m e t e r s . N o c o n s i s t e n t e f f e c t s o f f i b e r t y p e o f f l e x u r a l s t r e n g t h c a n b e o b s e r v e d i n F i g u r e 3 . 9 . R e f e r e n c e 4 3 h a s c o m p a r e d t h e e f f e c t s o f c r i m p e d , s t r a i g h t - r o u n d a n d s t r a i g h t - m e l t e x t r a c t s t e e l fi b e r s o n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f s p r a y e d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e m e l t e x r a c t fi b e r s h a v e a r o u g h s u r f a c e t e x t u r e w h i c h i s e x p e c t e d t o i n c r e a s e t h e a d h e s i v e a n d f r i c t i o n a l b o n d o f f i b e r s t o c o n c r e t e m a t r i c e s . T h e l i m i t e d d a t a o n f l e x u r a l s t r e n g t h o f d i f f e r e n t fi b e r t y p e s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 4 3 d o e s n o t g i v e a n y c o n c l u s i v e r e s u l t s r e g a r d i n g t h e e f f e c t o f fi b e r t y p e o n f l e x u r a l s t r e n g t h . T h e s t r a i g h t - r o u n d fi b e r s , h o w e v e r , a r e o b s e r v e d i n F i g u r e 3 . 1 0 t o g i v e h i g h e r s t r e n g t h s t h a n t h e m e l t e x t r a c t a n d c r i m p e d fi b e r s . F i g u r e 3 . 9 : P e r c e n t a g e i n c r e a s e i n fl e x u r a l s t r e n g t h o f m o r t a r s r e i n f o r c e d w i t h 3 3 0 4 0 — i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h ( 2 ) O O 3 0 — : 0 O O s A ’ . a e 4 ' E A : 0 C A . 0 O O 1 0 — . . O . . 5 & 5 . O . . . 0 s t r a i g h t r o u n d . : 0 . A s t r a i g h t r e c t a n g u l a r . ’ . . a d u o f o r m . m - ° I r 1 v f u / d ) 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 d i f f e r e n t s t e e l f i b e r t y p e s . 1 f l e x u r a l s t r e n g t h 3 3 1 l , 0 0 0 - — ( K s i ) / / C D " I 8 0 0 ‘ “ / Y / I I d 6 0 0 — ‘ 3 ’ ’ 7 f i b e r t y p e / I l e n g t h a n d d i a n e t e r ( 1 n ) 4 0 0 _ ’ z ’ 0 p l a i n c o n c r e t e D I 0 . 0 2 4 x 1 . 0 0 n e l t e x t r a c t _ Y 0 . 0 1 6 x 0 . 7 9 c r i m p e d 2 0 ° A 0 . 0 1 6 x 1 . 0 0 c r i m p e d . 0 . 0 1 6 x 1 . 0 0 s t r a i g h t 0 V x I l I t ‘ ) 0 l 2 3 F i g u r e 3 . 1 0 : E f f e c t o f fi b e r t y p e o n f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d m o r t a r . 4 3 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o = 0 . 4 0 , s a n d - c e m e n t r a t i o a 3 . 0 , s p e c i m e n t d e p t h = 3 . 1 5 i n ( 8 0 m m ) , s p a n l e n g t h . . 1 2 . 6 0 i n ( 3 6 0 m m ) , l o a d i n g a t o n e - t h i r d p o i n t s a n d c o n s t r u c t i o n b y s h o t c r e t i n g ) . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 6 . 9 M P a . J r h e e a l e t s fi c b r o e e r n i n f o c r l e u i r d c e d e d t n f o r c w e h i d a t t h c t o h n e c r e t e 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 5 . 9 N / m m 2 A h fl n o e e x p e o x k u e r d a - l c r s o i t l m r l e e a n n t a l s t t g e t d h s a t e n u d e d l o i y t f o n t h b u e g s r h n e e r fl e o e s p s x o r u f r a l t e d i h o o b k n e e R h d a v i e - f c e o o r l r e l o f c c o 2 n 1 e n a c t e d s t e 3 3 2 T h e c o m p a r a t i v e s t u d y o f p o s t - c r a c k f l e x u r a l ( t e n s i l e ) s t r e n g t h o f c o n c r e t e s a n d c e m e n t p a s t e s r e i n f o r c e d w i t h 1 . 5 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t r a i g h t - r o u n d , d u o f o r m , c r i m p e d a n d h o o k e d s t e e l f i b e r s i n R e f e r e n c e 4 6 ( T a b l e 3 . 1 ) i s i n d i c a t i v e o f t h e e f f e c t i v e n e s s o f d u o f o r m a n d h o o k e d fi b e r s a n d t h e l o w e f f i c i e n c y o f s t r a i g h t - r o u n d a n d c r i m p e d fi b e r s i n i n c r e a s i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T a b l e 3 . 1 : E f f e c t o f f i b e r t y p e ' o n t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d c e m e n t p a s t . 4 6 ( V f s 1 . 5 % , w a t e r c e m e n t r a t i o = 0 . 4 9 , a g g r e g a t e - c e m e n t r a t i o = 4 . 0 , f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o = 0 . 6 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a 3 / 8 i n ( 1 0 m m ) , s p e c i m e n d i m e n s i o n s = 4 x 4 x 2 0 i n ( 1 0 2 x 1 0 2 x 5 0 8 m m ) , s p a n = 1 6 i n ( 4 0 6 m m ) c e n t r a l l y l o a d e d a n d t e s t a g e = 3 0 d a y s ) . P o s t - C r a c k F l e x u r a l ( T e n s i l e ) F i b e r d i a m e t e r 1 F i b e r l e n g t h S t r e n g t h ( p s i ) ( i n x i n ) C o n c g t e C m R o u n d - s t r a i g h t . 0 2 0 x 1 . 5 0 3 6 5 - ~ D u o f o r m ' . 0 2 5 x 2 . 3 6 5 3 4 3 8 9 C r i m p e d . 0 2 1 x 1 . 9 6 3 3 8 2 6 4 H o o k e d . 0 1 4 x 1 . 6 5 5 2 5 3 3 3 3 3 3 t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g m i x i n g t i m e ( m e a s u r e d a f t e r d u m p i n g o f f i b e r s i n t o t h e f r e s h m i x ) , d u e t o t h e p r o g r e s s i v e s e p a r a t i o n o f t h e c o l l a t e d s t e e l f i b e r s b y t h e m i x i n g a c t i o n o f c o n c r e t e . T h e o v e r m i x e d c o n c r e t e s a c c o r d i n g t o R e f e r e n c e 2 1 c o n t i n u e t o h a v e i n c r e m e n t s i n fl e x u r a l s t r e n g t h w i t h m i x i n g t i m e , i n d i c a t i n g n o t o t a l s e p a r a t i o n o f c o l l a t e d f i b e r s w i t h i n t h e r e g u l a r m i x i n g t i m e . R e f e r e n c e 2 3 h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g t i o n o n t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s i n g d i f f e r e n t f i b e r t y p e s . T e s t r e s u l t s o f R e f e r e n c e 2 3 i n d i c a t e t h a t w i t h t h e s a m e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o , h o o k e d f i b e r s w e r e m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t , c r i m p e d o r p a d d e l e d r e c t a n g u l a r f i b e r s i n i n c r e a s i n g t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s a n d f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . D u e t o t h e i r r e l a t i v e l y s h o r t l e n g t h , d u o f o r m f i b e r s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e n o t a s e f f e c t i v e a s h o o k e d f i b e r s i n i m p r o v i n g f l e x u r a l p e r f o r m a n c e . T h e i m p r o v e m e n t s i n fl e x u r a l t o u g h n e s s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y t e n d t o b e l e s s a f f e c t e d b y fi b e r t y p e s a t l o w e r v o l u m e f r a c t i o n s o f s t e e l f i b e r s . 3 . 3 . c W W S t e e l f i b e r s , t h r o u g h t h e i r c o n fi n i n g a c t i o n a n d c r a c k a r r e s t i n g p r o p e r t i e s , i m p r o v e t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d e s p e c i a l l y t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n . T h e p r e - p e a k b e h a v i o r o f c o n c r e t e , h o w e v e r , i s n o t m u c h i n f l u e n c e d b y t h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r s . 3 ° T h e r e i s a d r o p i n t a n g e n t s t i f f n e s s n e a r t h e p e a k a n d a n 3 3 4 i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . A s t h e f i b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o i n c r e a s e , s t e e l f i b e r s t e n d t o b e m o r e e f f e c t i v e i n e n h a n c i n g t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f c o n c r e t e . T h e e f fi c i e n c y o f s t e e l f i b e r s i n i m p r o v i n g c o n c r e t e b e h a v i o r u n d e r c o m p r e s s i o n c a n b e i n c r e a s e d b y i m p r o v i n g t h e fi b e r - m a t r i x b o n d t h r o u g h d e f o r m i n g t h e s t e e l f i b e r s . R e f e r e n c e 3 0 p r e s e n t e d t e s t r e s u l t s w h i c h i n d i c a t e d t h a t , a t t h e s a m e v o l u m e f r a c t i o n a n d a s p e c t r a t i o , h o o k e d f i b e r s w e r e m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t o n e s i n e n h a n c i n g t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s e e F i g u r e 3 . 1 1 ) . R e f e r e n c e 8 h a s a l s o r e p o r t e d t e s t r e s u l t s w h i c h i n d i c a t e t h a t h o o k e d f i b e r s a r e s l i g h t l y m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t o n e s i n i n c r e a s i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t n o p r e v i o u s s t u d i e s h a v e c o m p a r e d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h fi b e r s o f t h e s a m e d i m e n s i o n s b u t d i f f e r e n t t y p e s . S u c h c o m p a r i s o n c a n p r o v i d e v a l u a b l e i n f o r m a t i o n a b o u t t h e e f f e c t s o f fi b e r t y p e o n t h e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e . 4 r ’ l P r T h e o b j e c t i v e o f t h i s p h a s e o f t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s t o c o m p a r e t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e . T h e s t e e l fi b e r t y p e s w e r e s t r a i g h t - r o u n d , c r i m p e d - r o u n d , c r i m p e d - r e c t a n g u l a r , h o o k e d a n d H o o k e d F i b e r s 3 3 5 C o m p . S t r e s s 8 . 0 ‘ l ( K s i ) 4 . 0 - S m c o t h S t r a i g h t F i b e r s P l a i n I f T ‘ . 3 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 C o m p . S t r a i n ( x 1 0 ) F i g u r e 3 . 1 1 : T y p i c a l c o m p r e s s i v e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o s h i p s f o r c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h s t r a i g h t a n d h o o k e d s t e e l fi b e r s a t c o m p a r a b l e v o l u m e f r a c t i o n s a n d a s p e c t r a t i o s } 3 0 1 K s i . 6 . 9 M P a n g t h ( i n ) D i a m e t e r ( i n ) ( L e n g t h F S C H C H S H o n c c e i m c t r s e i t r o r o t o - b e r T y p e r i i o o r o a m m k k a k i p p e e i e g e d e d g d h d - d - h - n t i c z t r + e o e r - t f - fi l b t - - c s e t c y - r r c i - o r o e l n r l o u c l g o l m a a s i n d e n e a u n t a l u a t h g r n t r n d a t e ) g d n e ( d e i r r e n 5 L ) ) 1 i 4 i , o 0 0 0 / 5 / 8 d 0 a . . t ) 0 e r g d 2 u ( L l Z 3 a P 0 r / 3 5 0 0 d ( Z P 6 0 r a c e a t e g t i s i o a u s f o o t o f e T ( p c h c l o e e a u 2 2 2 1 1 s n . 2 2 y . . . . 0 2 2 5 3 p a a . 6 h s g h t a , o f i fl a 1 0 0 0 . . 0 0 i o . . . t . . i d u 3 3 3 0 0 3 3 g 5 5 5 2 2 5 1 a f o r e m 5 a a h g s - r e b e i g o n a f d t T h e m i n v e e a r - x b r i e i a s n t m D i / 7 7 7 0 0 5 5 6 5 6 7 7 2 5 a - m e t e r ) b 3 i / n 4 d e r i n t i r 0 a g o t . g a n i 3 , o l o l a f r e g a h s 4 t a u . e d p 0 a r a i e s w a t e n z d e a w a r s 3 3 6 h o o k e d - c o l l a t e d . T a b l e 3 . 2 p r e s e n t s t h e l e n g t h s a n d d i a m e t e r s o f t h e f i b e r t y p e s u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y . T h e a s p e c t r a t i o s o f d i f f e r e n t fi b e r s w e r e c h o s e n t o b e w i t h i n t h e t w o n a r r o w r a n g e s o f 5 7 t o 6 0 a n d 7 2 t o 7 5 . A c o n s t a n t v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s , 2 % , w a s u s e d t h r o u g h o u t t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( v o l u m e f r a c t i o n x a s p e c t r a t i o ) w a s t h u s i n t h e r a n g e s o f 1 1 4 t o 1 2 0 a n d 1 4 4 t o 1 5 0 f o r t h e f i b r o u s m i x e s o f t h i s s t u d y . H e n c e , t h e k e y f a c t o r d i s t i n g u i s h i n g b e t w e e n d i f f e r e n t f i b r o u s m i x e s i n e a c h fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x g r o u p i s t h e fi b e r t y p e , n o t i n g t h a t s i m i l a r c o n c r e t e m a t r i c e s w e r e u s e d f o r a l l m i x e s . T a b l e 3 . 2 : G e o m e t r i e s o f d i f f e r e n t fi b e r t y p e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m A s p e c t R a t i o 3 3 7 ( 1 9 m m ) . T h e m i x i n g , c u r i n g a n d t e s t i n g p r o c e d u r e s f o l l o w e d a n d t h e m a t e r i a l s u s e d w e r e s i m i l a r t o t h o s e d e s c r i b e d i n s e c t i o n 2 . 3 o f C h a p t e r 2 . W 1 1 5 T h e t e s t r e s u l t s a n d c o n c l u s i o n s o b t a i n e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f f i b e r t y p e o n t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s a r e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s . 3 . 5 . a F i b e r I y p e E f f e c t s g g F r e s h M i x W g r k a g i l i t y ; T h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y o n t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r t y p e o n f r e s h m i x s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 . 1 2 . a , 3 . 1 2 . b , a n d 3 . 1 2 . c , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 3 . 1 2 . a i n d i c a t e s t h a t f i b r o u s c o n c r e t e s w i t h c r i m p e d f i b e r s h a v e s l i g h t l y h i g h e r s l u m p s t h a n c o m p a r a b l e o n e s w i t h s t r a i g h t o r h o o k e d f i b e r s . A s f a r a s i n v e r t e d s l u m p c o n e ( F i g u r e 3 . 1 2 . b ) a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y ( F i g u r e 3 . 1 2 . c ) r e s u l t s a r e c o n c e r n e d , h o w e v e r , t h e e f f e c t s o f fi b e r t y p e o n f r e s h m i x c h a r a c t e r i s t i c s s e e m t o b e i n s i g n i fi c a n t . T h e i n c r e a s e i n f i b e r r e i n f o r m c e m e n t i n d e x c o n s i s t e n t l y d a m a g e s f r e s h m i x p r o p e r t i e s , a s s h o w n i n F i g u r e s 3 . 1 2 . a t h r o u g h 3 . 1 2 . c . 3 . 5 . b W a l e s . T h e f l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s a t a s p e c t r a t i o s o f a b o u t 6 0 a n d 7 5 a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 3 . a a n d 3 . 1 3 . b , r e s p e c t i v e l y . T h e c u r v e s p r e s e n t e d i n t h e s e f i g u r e s a r e I . — . / / / / / / / / / / / / / / / A W / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / 7 W W 3 3 8 1 0 - s l u m p ( i n ) 8 . . . 6 . 1 l . — 1 1 4 1 1 4 2 — § 1 1 4 ‘ \ ~ 1 2 0 1 2 0 1 5 0 1 4 4 fi S S i 0 p l a i n s t r a i g h t c r i m p e d c r i m p e d h o o k e d h o o k e d f i b e r t y p e r o u n d r o u n d r e c t a n g - s i n g l e c o l l a t e d u l a r a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . 4 i n i n v e r t e d s l u m p 6 0 - c o n e t i m e ( s e c . ) 1 4 4 I " U ' o 4 0 — H H b H H H N V l 1 1 6 : 5 : \ / / / V f ( 1 / d ) ' 0 5 § p l a i n s t r a i g h t c r i m p e d c r i m p e d h o o k e d h o o k e d f i b e r t y p e r o u n d r o u n d r e c t a n g u l a r s i n g l e c o l l a t e d b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e F i g u r e 3 . 1 2 : E f f e c t s o f fi b e r t y p e o n f r e s h m i x p r o p e r t i e s . c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 3 3 9 e x c e l l e n t 4 _ . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y V f ( U d ) ‘ 0 3 . . 2 . . 1 1 4 1 1 4 1 2 0 1 2 0 4 4 1 5 0 p o o r 1 - p l a i n s t r a i g h t c r i m p e d c r i m p e d h o o k e d b o o k e d r o u n d r o u n d r e c t a n g u l a r s i n g l e c o l l a t e d f i b e r t y p e — - ‘ ° — ' c r i m p e d r e c t a n g u l a r 3 0 - 1 2 0 " 1 0 ' - 3 4 0 l o a d ( K i p s ) I " \ ’ Q . \ I : 2 , \ ’ I . o 1 \ ‘ — - s t r a i g h t r o u n d I , . 0 . . e . ‘ o o e e e e e e e e e h O O k O d ' C O I I I C G d ' . . . . . 0 \ ‘ “ - - - ‘ 1 \ ' . \ h o o k e d - s i n g l e — ° — c r i m p e d c i r c u l a r d e f l e c t i o n ( i n ) a . A s p e c t r a t i o . 5 7 - 5 0 F i g u r e 3 . 1 3 : F l e x u r a l l o a d d e fi e c t i c n c h a r a c t r i s t i c s o f s t e e l f i b r o u s c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K i p a 4 . 5 K N . 3 0 ' fi 2 0 _ . 1 0 - ‘ 3 4 1 l o a d ( K i p s ) ‘ w o k e d - c o l l a t e d f i b e r s 2 / \ ‘ z - ’ 5 \ s t r a i g h t - r o u n d \ \ \ f i b e r s I l d - 7 2 ‘ p l a i n I l 4 1 d e f l e c t i o n 0 . 2 0 . 4 0 . 6 ( i n ) b . A s p e c t r a t i o = 7 2 - 7 5 3 4 2 a v e r a g e s o f t h r e e t e s t r e s u l t s o b t a i n e d u s i n g i d e n t i c a l t e s t s p e c i m e n s . R e l a t i v e l y s m a l l v a r i a t i o n s w e r e o b s e r v e d i n fl e x u r a l t e s t r e s u l t s o f s p e c i m e n s m a n u f a c t u r e d f r o m t h e s a m e m i x ( t h e m a x i m u m a n d m i n i m u m t e s t r e s u l t s w e r e i n t h e r a n g e o f 9 5 % t o 1 0 5 % o f t h e a v e r a g e v a l u e s ) . F r o m F i g u r e 3 . 1 3 . a , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e c r i m p e d ( c i r c u l a r o r r e c t a n g u l a r ) fi b e r s a r e l e s s e f f e c t i v e t h a n t h e s t r a i g h t o n e s i n i m p r o v i n g t h e u l t i m a t e s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s o f c o n c r e t e u n d e r f l e x u r a l l o a d s , a t a f i b e r a s p e c t r a t i o o f a b o u t 6 0 a n d f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 2 % . A t t h e r e l a t i v e l y l o w a s p e c t r a t i o o f F i g u r e 3 . 1 3 . a , t h e u s e o f h o o k e d f i b e r s ( c o l l a t e d o r s i n g l e ) l e a d s t o a h i g h e r u l t i m a t e s t r e n g t h b u t a l o w e r p o s t - p e a k r e s i s t a n c e u n d e r f l e x u r a l l o a d w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t fi b e r s . A t h i g h e r a s p e c t r a t i o s ( 7 2 t o 7 5 i n F i g u r e 3 . 1 3 . b ) , t h e a d v a n t a g e o f h o o k e d fi b e r s i n i n c r e a s i n g fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e s e e m t o b e m o r e p r o n o u n c e d . A l t h o u g h t h e d e s c e n d i n g b r a n c h o f f l e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n r e l a t i o n s h i p s i s s t i l l s t e e p e r f o r h o o k e d f i b e r s w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t o n e s . t h e s u p e r i o r f l e x u r a l s t r e n g t h o b t a i n e d w i t h h o o k e d fi b e r s o f h i g h e r a s p e c t r a t i o r e s u l t s i n a d e s i r a b l e p o s t — p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t f i b e r s h a v i n g t h e s a m e a s p e c t r a t i o . T h e t o t a l a r e a u n d e r n e a t h t h e fl e x u r a l l o a d - d e f o r m a t i o n c u r v e u p t o 5 . 5 t i m e s t h e c r a c k i n g d e f l e c t i o n i s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e t o t a l fl e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f fi b r o u s c o n c r e t e . T h e p o s t - c r a c k i n g e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s u s u a l l y m e a s u r e d b y t o u g h n e s s i n d e x , d e fi n e d a s t h e r a t i o o f t h e t o t a l a r e a u n d e r t h e l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p u p t o 5 . 5 t i m e s t h e 3 4 3 c r a c k i n g d e f l e c t i o n t o t h e a r e a u p t o t h e c r a c k i n g d e f l e c t i o n . ” A t o u g h n e s s i n d e x o f 1 0 i s i n d i c a t i v e o f a n e l a s t i c - p e r f e c t l y p l a s t i c b e h a v i o r w i t h y i e l d i n g o c c u r r i n g a t t h e c r a c k i n g l o a d . F i g u r e s 3 . 1 4 . a a n d 3 . 1 4 . b s u m m a r i z e t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s a n d t o u g h n e s s i n d i c e s , r e s p e c t i v e l y , m e a s u r e d u s i n g F i g u r e s 3 . 1 3 . a a n d 3 . 1 3 . b . F r o m F i g u r e 3 . 1 4 . a , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t a t f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s i n t h e r a n g e o f 1 1 4 t o 1 2 0 , c r i m p e d f i b e r s a r e l e s s e f f e c t i v e t h a n t h e s t r a i g h t a n d t h e h o o k e d o n e s i n i m p r o v i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e . A t a h i g h e r f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x i n t h e r a n g e o f 1 4 4 t o 1 5 0 ( c o r r e s p o n d i n g t o f i b e r w i t h h i g h e r a p e c t r a t i o s i n F i g u r e 3 . 1 3 . b ) , t h e h o o k e d fi b e r s s e e m t o b e s u p e r i o r t o t h e s t r a i g h t o n e s i n e n h a n c i n g e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y . F i g u r e 3 . 1 4 . b i n d i c a t e s t h a t a t f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s i n t h e r a n g e o f 1 1 4 t o 1 2 0 . t h e r e s e e m t o b e n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t o u g h n e s s i n d e x e s o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t f i b e r t y p e s . A t h i g h e r f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x e s o f 1 4 4 t o 1 5 0 ( c o r r e s p o n d i n g t o f i b e r s w i t h h i g h e r a s p e c t r a t i o ) , h o w e v e r , t h e h o o k e d f i b e r s s e e m t o r e s u l t i n a h i g h e r t o u g h n e s s i n d e x w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t f i b e r s . T h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h d i f f e r e n t f i b e r t y p e s a t f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s i n t h e r a n g e s o f 1 1 4 t o 1 2 0 a n d 1 4 4 t o 1 5 0 a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 . 1 5 . a a n d 3 . 1 5 . b , r e s p e c t i v e l y . F i g u r e 3 . 1 6 s h o w s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s o f f i b r o u s m i x e s w i t h d i f f e r e n t f i b e r t y p e s a n d t h e t w o r a n g e s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i n c o m p r e s s i o n i s d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n f a l b e s x o u r r p a t l i n e n o e ( r 1 g b y . i n ) 1 5 0 1 2 1 1 4 1 4 . 0 0 0 ‘ 1 1 " 2 0 . . 8 . 6 4 2 . , . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 — ‘ — — — . F r i e g i u n r f e o r 3 c . e 1 d 1 1 4 \ S \ N § \ \ S 3 \ i n \ \ r o a u h g d n n e r e n t e s g t I d n T o ) t - 0 a l s t r e a . ( 1 . . l a i V 4 p : a . t 1 " 1 § 5 \ m u p l e a d r c r r e i c u m t l p a a t y c c i s r r o i c r a b p t i o p i n e c a p a c o n c a p s . F h l e d x i u r a l f f e r e w i r g e e y l a fi b b s e o r r p t t y 7 d g - h s i t y . c i t y e n r a o i 1 a o n k g K e l i d e p n d t h l o l o a k t o . g h 1 n 1 e e e 4 s d d s N . i n c u i o f i b e r t m n d e x o f c o y n p e c r e t e s 1 3 4 4 m § § 11 a E \ \ \ \ \ . \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ § 3 4 5 1 5 0 V f i b e r t y p e 1 2 0 l t o u g h n e s s f l e x u r e 1 4 " 1 2 - 1 0 " 2 — V f ( 9 ~ / d ) - 4 — 4 8 — 6 - a i g h t c r i m p e d c r i m p e d h o o k e d h o o k e d r o u n d r e c t a n r o u n d p l a i n c o l l a t e d g - s i n g l e u l a r b . T o u g h n e s s i n d e x a . A s p e c t r a t i o = - 5 7 - 6 0 3 4 6 g . _ . S t r e s s ( K s i ) , “ \ I , ‘ \ t a n — L u . » p l a i n \ ' 1 ’ 3 . . \ _ _ s t r a i g h t r o u n d . 0 . \ . 6 - ‘ , e . ’ - . . \ ° " ' ° " " " h o o k e d c o l l a t e d ‘ . . \ . ” “ 3 8 - - " " " ' h o o k e d s i n g l e \ . \ R N . . . - — ' — c r i m p e d r o u n d . \ \ \ ' - . , . . . — " ' — ' c r i m p e d r e c t a n g u l a r . \ \ . . . . ‘ e 4 - \ . \ . \ " ‘ 3 . - \ o . - \ \ . \ \ \ . \ \ \ O o . “ ‘ ~ c \ ' o 2 . . ' E - 5 7 - 6 0 d T I S t r a i n o } 0 1 ” 0 . 0 2 0 . 0 3 F i g u r e 3 . 1 5 : C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 1 K s i . 6 . 9 M P a . 2 . - s t r e s s ( K s i ) 3 4 7 0 \ \ ‘ \ w h o o k e d - c o l l a t e d f i b e r s , . L / d - 7 5 O \ . - \ ~ . \ . s t r a i g h t - r o u n d P l a i n f i b e r s , i l d - 7 2 I I I I s t r a i n 0 . 0 1 0 0 2 0 . 0 3 b . A s p e c t r a t i o = 7 2 - 7 5 3 4 8 e n e r g y a b s o r p t i o n 1 0 0 — ( l b . i l l / 1 : 1 3 ) 1 5 6 1 2 0 1 2 0 8 0 “ 1 4 4 6 0 - 1 1 4 1 1 ‘ Q 6 0 - § V f ( 2 . / d ) - O § 2 0 ‘ * * f i b e r t y p e P l a i n S t r a i g h t c r i m p e d c r i m p e d h o o k e d h o o k e d r o u n d r o u n d ' r e c t a n g u l a r s i n g l e c o l l a t e d F i g u r e 3 . 1 6 : E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t s t e e l fi b e r t y p e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p i n . 1 1 4 N . m 3 4 9 r e l a t i o n s h i p u p t o a s t r a i n o f 5 . 5 t i m e s t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . 2 7 T h e s e fi g u r e s i n d i c a t e t h a t fi b e r s i n c r e a s e t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y a n d e n e r g y a b s o p r t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e i n c o m p r e s s i o n , b u t h a v e a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s t e n d s t o i n c r e a s e w i t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t , e s p e c i a l l y w h e n h o o k e d fi b e r s a r e u s e d . H o o k e d fi b e r s s e e m t o b e m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t a n d c r i m p e d o n e s i n e n h a n c i n g t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s , p a r t i a l l y d u e t o t h e m o r e p r o n o u n c e d e f f e c t s o f h o o k e d fi b e r s o n i n c r e a s i n g t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s o f c o n c r e t e . A l l f i b r o u s c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t fi b e r t y p e s s e e m t o h a v e s i m i l a r t o u g h n e s s i n d i c e s ( d e f i n e d a s t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d i v i d e d b y p r o - p e a k e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ) . a m : A n e x p e r i m e n t o f s t u d y w a s p e r f o r m e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r t y p e o n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s . T h e f r e s h fi b r o u s c o n c r e t e w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . F o r t h e h a r d e n e d m a t e r i a l , fl e x u r a l l o a d d e fi e c t i o n c u r v e s a n d c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s w e r e u s e d a s r e p r e s e n t a t i v e o f i m p o r t a n t m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . T h e fi b e r s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y w e r e s t r a i g h t - r o u n d , c r i m p e d - r o u n d , c r i m p e d - r e c t a n g u l a r , h o o k e d s i n g l e a n d h o o k e d - c o l l a t e d fi b e r s a t a s p e c t r a t i o s r a n g i n g f r o m 5 7 t o 6 0 , a n d s t r a i g h t o r o u n d a n d a n d h o o k e d - c o l l a t e d fi b e r s a t a s p e c t r a t i o s r a n g i n g f r o m 7 2 t o 7 5 . A l l t h e fi b r o u s m i x e s i n c o r p o r a t e d a 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s . 3 5 0 T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t e s t r e s u l t s : 1 . T h e i n c l u s i o n o f fi b e r s d a m a g e s t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h c o n c r e t e a n d t h i s e f f e c t i s m o r e p r o n o u n c e d f o r f i b e r s w i t h h i g h e r a p s e c t r a t i o s . T h e e f f e c t s o f fi b e r t y p e s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y , a s r e p r e s e n t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d t h e s u b j e c t i v e m e a s u r e , s e e m t o b e i n s i g n i fi c a n t . C r i m p e d f i b e r s r e s u l t i n s l i g h t l y h i g h e r s l u m p v a l u e s t h a n s t r a i g h t a n d h o o k e d fi b e r s . 2 . A t a n a s p e c t r a t i o o f a b o u t 6 0 a n d fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 2 % , c r i m p e d f i b e r s ( c i r c u l a r o r r e c t a n g u l a r ) g e n e r a t e f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s w h i c h a r e i n f e r i o r t o t h o s e o f s t r a i g h t fi b e r s , b u t h o o k e d fi b e r s r e s u l t i n h i g h e r f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d s i m i l a r fl e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t f i b e r s . H o o k e d fi b e r s a r e s u p e r i o r t o s t r a i g h t o n e s i n e n h a n c i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e a t fi b e r a s p e c t r a t i o o f a b o u t 7 5 w h e n a d d e d t o c o n c r e t e a t 2 % v o l u m e f r a c t i o n . 3 . H o o k e d a r e m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t a n d c r i m p e d fi b e r s i n e n h a n c i n g t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s a l s o i n c r e a s e s w i t h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t , e s p e c i a l l y w h e n h o o k e d fi b e r s a r e u s e d . T h e i n c r e a s e i n t o u g h n e s s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t i s n o t s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e fi b e r t y p e . T h e e f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s r e l a t i v e l y s m a l l a n d d i f f e r e n t fi b e r t y p e s s e e m t o a c t s i m i l a r l y i n t h i s r e g a r d . . 7 V a V . V V . V V . V . V V 1 9 V V o l . . . . V . . . . . V . V . V . V V . . V . V V . . . V E . F V = § » \ . V . V V V V V . . V V V . V . V r . f V . . . > V . v , 3 V . V . . V . V V . V V V . . . . . V V . V V V V . V . . V . V a V . . n . V V v . V n V . V . . . a _ V V V V . _ . V . V V V . _ V . V s V V V V V V . V V V . _ I V . . . . V V V V V . V V . . . E . . V a . V V V A . V . > . V . V V . . V I V V . V , . V . V V . . V V t . V ? ! n V V V V . . . V . V V . V V V V V . V V V . . V V V . . V . . V . . V V V V . V . V V . o . V — I a . V V V _ V . . V . V . V . . V V V V _ V V V V V V . V . o u . . I V I - V ~ V V V V . . V V V . V . . V V V . V 3 V I n . . A V . . V . V a : G V n 4 r , 7 - V . n V V . V . 1 V V 9 6 V V . V . V V V 7 V . V V . V . . I V . V . V . . V V . 3 V V . V V V . V . V V . V . V . V - . i p l o _ : r m 0 V V V . V V v . . V V . V . . . V . . V . V I . . V . . . V V . V . V V . V V . V V . V e V V 4 0 V . . V . V . V . . V . ; V V : . V V . V . V V V V V V V I V . V . V n u . a . . v 7 V . . . V . . u . . a V 7 V V V . V \ V . V V . V . V V . V V a V V . . V . 3 V V . . V . _ , . V V V . V V . V V . V V . : . . . Q V . V V . . V V . . . V V : . V V V V V V . V . V . V . V V V . V . V . u . V . V V . . V . V . V V . . a V — u u . V . V . . . V . V . V V . V V . V V V V - I V . . . \ - V V . V V V . V . V V . V V . V . V 1 V . . V . V V V V V i . . . . V . V V V V V v . V . V : V . . V V . V . V V a . . L . ¥ I V V V : V V 6 V V V V . V . V r . V . Z . V . V L Q 1 . V . V V . . . . V . V . . . V V V . V . V V . V V V V V . V V . V , V V . . V . V V . V . V . . . . V V . V n r . V . V . V V V . . V . V V . . . V V . V V : . . . . . V . V I . V V V . . . V . . V V V V . V V V . . V V . . . V . x . I . V V A . — . V . . . . . . V . . . V . . V V . . V V , V E V V r V V . _ . V V V V V . V n u 1 . . . V V . . . V . _ V V . V . . V a V V . I V . V . V I . . V . V V . . V 7 , . . . . V . V V V V . V V . . . V V V V . . . V . - V n . . m V . V . V V V V V V ¢ V V . . . V . . 1 3 . ) ; I V . V V V V V V V V V v a g t v a ‘ V . . . t V - V V . . K V c V V V V V V V . . . a V . V V . l 4 V V . V V a V . p A V - V V . V A ! I u A V . V V . . V A . n I I V . . V V . V 1 . . V V » V . V . V V . . V . . V V . u . V . . V . V V V V V V V . V V V V . . . V V . . V V . . . . V V V V _ L . V ; . V V . . . . V » V : V V . . . V V . V V V V V . . . H V . . V V V . . . 1 . V c . V _ V : V . V V V 4 V . V V V . . . V V . V V . . V V . . . . u a — I o . . V V . y . . . V V V . V V . . V V V V . . V V V . . 2 ! V . V V V a V q I V V V V V V . V V V . v . l . V V | V V V V V V ; . V V V V 0 V . . V a V . V V V . . V V V . V . . . . V . a . V . V V V . . 9 : 5 9 . 5 1 3 3 1 6 . ‘ V V . V V . a t V V . V . 1 a p r . . V V V V V V V V I V V i V x V I I t I . V . . I L . V V V V . V . . V . V V ! V V V . \ V , V \ . . V . V V V V V C V V V V / I ( 1 ? V V . V V V V V V V V . t . V V T V V V . V . . . a . . . v a i n l y . . I V I V \ I V . V V . A V - V n o l . V V . V V V S V a V J V . V . V fi . I V L . . V o | V l V V . ‘ V : . . r V V V ; L V - V V V . . V r V » . . a n : ‘ 2 8 " . . . V V V . J » . 9 . . V : b » . . . V V V V V ; E . . a V V V . V J . V J > . § . . . ! Z : 1 . 1 2 . 3 . . . . ”ii/7m?“ // '/ a m e n u u m m “ ? 5 “ “ i I 1 ? “ [ l a M I I fi z z / I : M m J ; / I M T 7 / I l 2 9 3 3 1 V 2 { s t - 2 . U n i v e r s i t y k P L A C E I N R E T U R N B O X t o r e m o v e t h i s c h e c k o u t f r o m y o u r r a c e d . T O A V O I D F I N E S r e t u r n o n o r b a t o n d a t e d u e . D A T E D U E D A T E D U E D A T E D U E : : J M S U I s A n A f fi r m a t i v e A c t i o n / E q u a l O p p o n u n fl y I n d l t u fi o n c m p u n s - m C H A P T E R 4 r r i M i x P r i n n W i g s W i n n S t e e l f i b e r s w h e n a d d e d t o c o m p a t i b l e c o n c r e t e m i x t u r e s r e s u l t i n i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n s u c h p r o p e r t i e s a s t o u g h n e s s , i m p a c t r e s i s t a n c e , f l e x u r a l s t r e n g t h , f a t i g u e l i f e a n d a b r a s i o n a n d c a v i t a t i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e . T o b e c o m p a t i b l e w i t h s t e e l fi b e r s , t h e c o n c c r e t e m a t r i x s h o u l d : ( a ) b e c a p a b l e o f u n i f o r m l y d i s p e r s i n g fi b e r s t h r o u g h c o m m o n m i x i n g t e c h n i q u e s ; ( b ) m a i n t a i n i t s w o r k a b i l i t y i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l f i b e r s ; ( c ) p r o v i d e a s t a b l e a i r - v o i d s y s t e m i n t h e fi b r o u s c o m p o s i t e ; ( d ) c o a t t h e fi b e r s w i t h c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d d e v e l o p s u f f i c i e n t b o n d i n g t o t h e fi b e r s ; a n d ( e ) r e a c h s t r e n g t h l e v e l s a d e q u a t e t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t e f f e c t . T h e s e r e q u i r e m e n t s c a n b e s t b e s a t i s f i e d t h r o u g h t h e u s e o f a r i c h m i x w i t h h i g h c e m e n t c o n t e n t s w h i c h i n c o r p o r a t e s a s u i t a b l e s y s t e m o f a d m i x t u r e s . O n t h e o t h e r h a n d , e c o n o m i c c o n s i d e r a t i o n s w o u l d t e n d t o l i m i t t h e c e m e n t c o n t e n t a n d t h e c o m p l e x i t y o f t h e a d m i x t u r e s y s t e m . I t i s t h u s i m p o r t a n t t o e s t a b l i s h t h e t r e n d s i n m a t r i x c o m p o s i t i o n e f f e c t s o n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p r o p e r t i e s i n f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s i n o r d e r t o o p t i m i z e t h e c o n c r e t e m i x t u r e i n c o r p o r a t i n g s t e e l fi b e r s f o r s a t i s f y i n g d i f f e r e n t j o b r e q u i r e m e n t s . 4 ' 5 ' 4 0 ' 4 3 ' 4 9 3 5 1 3 5 2 W T h e t e s t r e s u l t r e p o r t s a n d e l a b o r a t i o n s m a d e i n t h e l i t e r a t u r e o n t h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e ( c e m e n t ) c o n t e n t a n d m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e , w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d c o n r e t e a d m i x t u r e s o n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s a r e r e v i e w e d i n t h i s s e c t i o n . 4 . 2 . a W fi e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t y p i c a l l y h a v e r e l a t i v e l y l o w a g g r e g a t e c o n t e n t ( i . e . h i g h c e m e n t c o n t e n t ) a n d s m a l l m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e s w h e n c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l p l a i n c o n c r e t e . T h e s e c o n d i t i o n s a r e n e e d e d f o r p r o v i d i n g t h e f i b e r s w i t h a m o n a r v o l u m e i n w h i c h t h e y c a n b e d i s p e r s e d ( F i g u r e 4 . 1 ) , m a i n t a i n i n g a n a c c e p t a b l e l e v e l o f w o r k a b i l i t y ( F i g u r e 4 . 2 , n o t i n g t h a t i n c r e a s e d V e b e t i m e i s a n e v i d e n c e o f d a m a g e t o w o r k a b i l i t y ) , a n d f o r e n s u r i n g s u f f i c i e n t c o a t i n g o f t h e fi b e r s w i t h c e m e n t p a s t e . “ ' v 5 ' 4 ° ' 4 3 ' 4 9 S t e e l f i b e r s , h o w e v e r , o n c e u n i f o r m l y d i s p e r s e d i n s i d e t h e m i x t u r e , t e n d t o b e m o r e e f f e c t i v e i n c o n c r e t e m a t r i c e s ( i n c o r p o r a t i n g c o a r s e a g g r e g a t e ) t h a n t h e y a r e i n m o r t a r m a t r i c e s . 2 9 T h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x m a y a l s o b e d a m a g e d b y t h e u s e o f f i n e r a g g r e g a t e d u e t o i n c r e a s e i n s u r f a c e a r e a . T h e s e f a c t o r s t e n d t o l i m i t t h e r e d u c t i o n o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , w h i c h i s n e e d e d f o r i m p r o v i n g f i b e r d i s p e r s a b i l l t y . T h e r e a r e a l s o l i m i t s o n c e m e n t c o n t e n t ( a g g r e g a t e c o n t e n t ) b e y o n d w h i c h t h e r a t e o f i m p r o v e m e n t i n p e r f o r m a n c e w i t h i n c r e a s i n g c e m e n t c o n t e n t s l o w s d o w n c o n s i d e r a b l y ( F i g u r e 4 . 3 ) . “ 8 A t t h i s l i m i t c e m e n t c o n t e n t , R e f e r e n c e 4 8 s u g g e s t s t h a t a d e s i r a b l e d e n s e p a c k i n g o f t h e m a t r i x i s a c h i e v e d a n d b . T e n F i g u d r e n e 4 c . y t 1 : o E w a r d s b a l l f f e c t o f a g i g n g i n c o n c r e t e ( w i t h c o a r r e g a t e s i z e o n fi b e r d i s t s r e a g g i b u t i o r n e g a t e ) . 5 3 5 3 1 0 0 “ 8 0 - 4 0 - l 2 0 “ 0 . . l V b b e T i m e ( s e c ) 3 5 4 M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e ( i n ) 3 / 4 3 / 8 3 / 1 6 0 C e m e n t P a s t e F i b e r A s p e c t R a t i o 8 1 0 0 3 l l 1 1 2 3 F i b e r V b l u m e F r a c t i o n ( 8 ) F i g u r e 4 . 2 : T y p i c a l e f f e c t o f a g g r e g a t e s i z e o n f r e s h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w o r k a b i l i t y . 5 1 i n . 2 5 . 4 m m H A o s o p k e - e c d t C h o t l i 6 . . A g g l r a o e t g e a a d t 1 e S 0 t 0 e , e l V o F l i u b n / G a u n t , e e S r u s F p r e 2 a r c p x t i 0 0 o . n l a s t ( i % 2 = c l i 0 n . 6 4 % i z e r / C a n e n t r o a l a d l e o d a d i — n a F x l . i o F l e 1 4 i n g a u d r - e d x e u l fl 4 f d o e o f u l r e - v t e i m o n c p e s t o n h i i t i o n p n t r l e o s i n l a s a t i o n s d t i e n g e l fi a n d c o m p h b v e o r i p ( P r i e r a e r s s r i e v s i e s p m a t a n i o c f s 1 p 2 e c i n n f s o t r r c e e n d g c o t h n w c i x 4 i ) r t m e n d e h t e f i n c l r i e e m e n x a u s r i a n i s l g o c n s = e m e n 4 t . 3 : e c t i i o m n p r r e l 3 5 5 t o a d ( K i p s ) C a n e n t C o n t e n t ( l b / y d 3 ) 6 7 5 4 0 2 7 0 1 3 . 8 , 5 . 6 ] T 0 0 . 0 4 0 . 0 8 0 . 1 2 D e f l e c t i o n ( i n ) c o n t e n t a t a c o n s t a n t w a t e r - c e m e n t r a t i o . 4 8 ( w a t e r - c e m e n t r a t i o - 0 . 4 , s i l i c a f u m e - c e m e n t r a t i o - 0 . 2 , fi n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o . 1 . 0 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e - 1 . 0 i n ) 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i a 5 . 9 N / m 2 p c e t d : u n e 8 _ O a r H o o k A V s o e p l 6 " r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i - C o l l a t e d S t e e l F i b R F a r t a i c o t i - o n 0 1 0 - 0 . 6 4 % ) e r s F i b e r s . / / . . 3 , 4 2 - 0 0 2 8 d a y s A g e 7 3 A g g r e g d a y s d a y a l 0 2 t C 0 e a s 1 / r ( 0 3 9 8 C e - e n m t / ! e n C / 5 t o . 6 0 , n t S e u n p t e 4 p 0 r 0 l ( l a l b / s y t d i c i z e r / C e n ( % l e 0 n l 0 6 3 ) b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s o f 6 x 1 2 i n ) 3 5 6 3 5 7 f u r t h e r i n c r e a s e i n c e m e n t c o n t e n t h a r d l y i m p r o v e t h e p a c k i n g c o n d i t i o n . 4 . 2 . b W i g ; I n t h e p r e s e n c e o f fi b e r s , a t r e l a t i v e l y h i g h v o l u m e f r a c t i o n s , t h e l o w c o m p a c t i b i l i t y o f t h e f r e s h c o n c r e t e m i x t u r e r e s u l t s i n r e l a t i v e l y h i g h e n t r a p p e d a i r c o n t e n t s a n d c o n s e q u e n t l y i n f e r i o r h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . T h e i n c r e a s e i n w a t e r c o n t e n t u p t o a c e r t a i n p o i n t e n h a n c e s t h e h a r d e n e d m a t e r i a l p e r f o r m a n c e b y p r o v i d i n g i t w i t h a b e t t e r c o m p a c t i o n . H i g h e r w a t e r - c e m e n t r a t i o s , h o w e v e r , d a m a g e t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e t h r o u g h r e d u c t i o n s i n t h e m a t r i x a n d i n t e r f a c i a l b o n d s t r e n g t h s . T h e t r e n d s i n w a t e r c e m e n t r a t i o e f f e c t s o n s o m e c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 4 . a a n d 4 . 4 . b , r e s p e c t i v e l y . ‘ 4 8 ' 4 . 9 4 . 2 . c A g m m u r g s ; S u p e r p l a s t i c i z e r s a n d a i r - e n t r a i n i n g a g e n t s a r e t h e t w o c o n c r e t e a d m i x t u r e s w h i c h a r e c o m m o n l y i n c o r p o r a t e d w i t h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s . C o n s i d e r i n g t h e d a m a g e t o w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m fi b e r - r e i n f o r c e m e n t , s u p e r p l a s t i c i z e r s h a v e b e e n e s t a b l i s h e d a s a r a t h e r s t a n d a r d c o n s t i t u e n t o f f i b e r c o n c r e t e m i x t u r e s . T h r o u g h i m p r o v i n g w o r k a b i l i t y , s u p e r p l a s t i c i z e r s a r e a l s o p a r t i a l l y e f f e c t i v e i n e n h a n c i n g t h e d i s p e r s a b i l i t y o f s t e e l fi b e r s i n f r e s h c o n c r e t e m i x t u r e s s t ‘ m v ‘ m ' s o v 5 1 T h r o u g h i m p r o v i n g t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y , s u p e r p l a s t i c i z e r s e n h a n c e t h e e f f e c t i v e n e s s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t s i n p r o v i d i n g s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h a s t a b l e a i r s y s t e m . 5 1 R e f e r e n c e 5 , h o w e v e r , s u g g e s t s t h a t t h e m a x i m u m l i m i t o n ‘ W a t e r / C a n e n t , S u p e r p . l a a . s fl t # i ’ c . i — e - r / C a n e n t ( f t ) — - 0 . 3 - . 5 , 4 . 3 _ ~ < . _ e 2 m e r e t . 6 1 i v ) - C R o a l t l i S 0 t 0 1 a o 0 t . I e 8 0 d 4 d t i e k e o d f n e c a f r H A o s o p r a l u l a : c e e 4 o 1 d n t K i s r 4 a fl e . e m t l e E t a o i F n x e c g , 0 e N i e d a x F l f a 4 . i o u g . F l r - K e r - e 4 u d 1 g a m g 5 d — n d f c t s r a t e i l o . e o a 1 9 e r f i - o 0 , fl u t . . o . 0 N c t i o n p w n o a s . 2 , m a / m t p n i e a x r g i i h t m t i o - . 6 l V o F l i u b m l a t i o a d i n g c r e e s m g t e a e m u m n t l e a e o e f e l o - g , r . n i - 0 . 6 2 n 0 t . i 0 o ' r s F 0 2 a 0 r . l x c 8 s h i p ( o fi v r b e e a t r r i o - c e m e g r e g a r e o n p a r t s p n i s n . i t e s m r c f a i a t i c n o a o z f o p e = m r c t i o e 4 s r e d = % 0 . 2 p c s 5 . e s o . 0 1 1 c i i n 4 n c i n ) i n = 2 5 . 4 z n g . e e t e . s i o n s a d i m e t r . , 4 e f 3 n i g n t e ( n h - S n e 0 s 1 a . l o . i l t n c - a c e s x e d m f l , r o a m 4 1 x 4 u r a l K i p = 3 5 8 L o a d ( K i p s ) C e m e n t C o n t e n t = 5 4 0 l b / y d 3 0 - 2 8 . 3 . 0 D e f l e c t i o n ( i n ) 2 8 - 4 6 1 2 - 4 3 5 9 c a r p r e s s i v e S t r a t u m ( K s i ) C e m e m : - 5 4 o l b / y d 3 S u p e r p l a s t i c i z e r / C a t e n t ( t ) H o o k e d - C o l l a t e d S t e e l F i b e r s 2 x 0 . 0 2 i n A s p e c t R a t i o = - 1 0 0 , V o l u t e F r a c t i o n = 0 . 6 4 % l l l 0 . 2 0 . 4 0 . 6 W a t e r / C e n e n t b . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h ( c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s o f 6 x 1 2 i n ) 3 6 0 fi b e r v o l u m e f r a c t i o n w h i c h c a n b e p r a c t i c a l l y i n c o r p o r a t e d i n t o a s p e c i f i c c o n c r e t e m i x t u r e c a n n o t b e ' n e c e s s a r i l y i n c r e a s e d t h r o u g h t h e u s e o f e x c e s s i v e a m o u n t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r . A c c o r d i n g t o t h i s r e f e r e n c e , t h e c e m e n t p a s t e w i t h r e l a t i v e l y h i g h d o s a g e o f s u p e r p l a s t i c i z e r m a y b e c o m e s o f l u i d t h a t i t r u n s o u t o f t h e fi b e r c l u s t e r s a s t h e y s t a r t t o f o r m . S e g r e g a t i o n o r c l u m p i n g o f fi b e r s , t h e r e f o r e . o c c u r s a t a b o u t t h e s a m e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a s f o r t h e c o n c r e t e w i t h l o w s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e . A i r - e n t r a i n i n g a g e n t s a r e u s e d i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t o p r o v i d e t h e m a t e r i a l w i t h s u f fi c i e n t a i r c o n t e n t f o r r e s i s t i n g f r e e z e - t h a w c y c l e s . A i r - e n t r a i n i n g a l s o h a s r a t h e r p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e w o r k a b i l i t y o f f i b r o u s m i x t u r e s . 5 0 T h e e f f e c t i v e n e s s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t s i n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s h e a v i l y d e p e n d e n t o n t h e w o r k a b i i t y o f f r e s h m i x t u r e s . l n t e s t s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 5 1 , f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h a z e r o s l u m p , a n i n c r e a s e i n a i r - e n t r a i n i n g a g e n t f r o m 0 . 2 % t o 0 . 8 % b y w e i g h t o f c e m e n t c a u s e d n o a p p r e c i a b l e i n c r e a s e i n t h e a i r c o n t e n t o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l . E v e n v e r y h i g h d o s a g e s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t c o u l d n o t p r o v i d e t h i s fi b e r c o n c r e t e m i x t u r e ( w i t h l o w w o r k a b i l i t y ) o f R e f e r e n c e 5 1 w i t h t h e t a r g e t a i r c o n t e n t o f 6 % . A s f a r a s t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s o f a i r - e n t r a i n e d p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e s , R e f e r e n c e 4 9 s u g g e s t s t h a t t h e s p e c i fi c s u r f a c e o f a i r b u b b l e s i s l o w e r i n fi b e r c o n c r e t e ( i n d i c a t i n g l a r g e r b u b b l e s i z e s ) . I n g e n e r a l . t h e a i r v o i d c h a r a c t e r i s t i c s a r e s i m i l a r i n p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e s . 3 6 1 4 2 . d W R e f e r e n c e 2 6 r e p o r t e d a v e r y c r i t i c a l e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h i s e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s t a r g e t e d a t o p t i m i z i n g t h e c o n c r e t e m a t r i x i n o r d e r t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f t h e fi b e r r e i n f o r c e m e n t t e c h n i q u e . T w o m e t h o d s w e r e u s e d t o i m p r o v e t h e p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e m a t r i x i n R e f e r e n c e 2 6 a s f o l l o w s : ( a ) i n c r e a s i n g t h e c e m e n t c o n t e n t o f t h e m i x t u r e f r o m 1 0 0 0 l b / y d 3 t o 1 1 5 0 l b / y d 3 . T h e r i c h e r m i x e s ( w i t h h i g h e r c e m e n t c o n t e n t ) h a v e h i g h e r c e m e n t p a s t e c o n t e n t s a n d b e t t e r c o a t i n g o f fi b e r s a n d a g g r e g a t e s w h i c h l e a d s t o i m p r o v e d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m i x i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s , a n d ( b ) d e c r e a s i n g t h e w a t e r - c e m e n t r a t i o i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e s t r e n g t h o f t h e h a r d e n e d c o n c r e t e . T h e d a m a g i n g e f f e c t o f d e c r e a s i n g w a t e r c o n t e n t o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y w a s c o m p e n s a t e d f o r ( o r e v e n o v e r s h a d o w e d ) b y i n c r e a s i n g t h e s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e o f t h e m i x t u r e . T h e i n c r e a s e o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t i n t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m o f R e f e r e n c e 2 6 ( a l t h o u g h p a i r e d w i t h d e c r e a s i n g w a t e r - c e m e n t r a t i o ) r e s u l t e d i n s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d fi b e r d i s p e r s a b i l l t y . T h e e f f e c t s o f c e m e n t c o n t e n t , w a t e r - c e m e n t r a t i o a n d s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e s h o w n i n F i g u r e 4 . 5 . 2 6 4 - 3 W m A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s c o n d u c t e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f b i n d e r ( c e m e n t + c l a s s F fl y a s h ) c o n t e n t , m a x i m u m s i z e a n d g r a d a t i o n o f a g g r e g a t e s , w a t e r - b i n d e r r a t i o , a n d s u p e r p l a s t i c i z e r a n d a i r e n t r a i n i n g a g e n t c o n t e n t s o n t h e f r e s h m i x 1 . 0 0 - S l u r p ( i n ) 0 . 7 5 _ 0 . 5 0 ' - 0 . 2 5 - 0 . 0 0 F 0 F i b e r V o l u m e F r a c t i o O . l 1 n C a t ( t l e b 6 D I A A t e n t d ) t Y 0 n / 7 0 A g 4 g . r 4 e 5 5 . 4 1 g - t a - e 4 / . 5 . 8 S u p e r p l a s t i c i z e r / C e m e n t 0 C 8 ( r e n t a 5 0 ) 5 t 3 , W a t e r / C a r e n l 2 ( 1 ; ) 3 6 2 a . S l u m p F i g u r e 4 . 5 : E f f e c t s o f c e m e n t c o n t e n t ( a g g r e g a t e c o n t e n t ) , w a t e r - c e m e n t a n d - s u p e r p l a s t i c i z e r - c e m e n t r a t i o s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 2 6 ( s t r a i g h t r o u n d s t e e l f i b e r s w i t h a l e n g t h = 1 . 6 i n a n d a d i a m e t e r = 0 . 0 2 i n r e s u l t i n g i n a n a s p e c t r a t i o - 8 0 ) 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 K s i 4 0 - z o - i 1 0 — . 3 6 3 V e b e T i m e ( s e c ) W a t e r / C a n e n t , S u p e r p l a s t i c i z e r / C e t e n t ( t ) A 0 . 5 0 , o 1 . 5 1 . 5 . 0 . 0 C a n e n t C o n t e n t A g g r e g a t e / C a n e n t l b ) O C ] A ( 5 4 6 d 4 . 4 5 - 4 . 8 5 C I A 5 8 0 5 . 4 1 - 5 . 8 0 1 T l 0 1 2 F i b e r V o l u m e F r a c t i o n ( % ) b . V e b e t i m e 1 ’ 0 2 - t e n t d ) C e n ( e l n b 6 / t 7 y 0 A g 4 . g 4 r 5 e g - a t 4 e / C a r m t . 8 5 c . F l e x u r a l s t r e n g t h 3 6 4 W a t e r / C a r e n t , S u p e r p l a s t i c i z e r / C e m e n t ( S ) F l e x u r a l S t r e n g t h — l ( K s i ) 1 . 4 5 0 . 4 0 , 1 5 / ’ 0 . 3 5 , 2 1 3 1 - ' / I 0 . 4 0 , 1 . 5 ' / 1 . 1 5 " 5 8 0 5 . 4 1 ' - 5 . 8 0 0 0 8 7 - F i b e r V o l u r t e F r a c t i o n ( 8 ) 0 . D I A A C e m e n t t e n t d ) ( l / 7 y 0 8 0 b 5 2 5 I a r a t A 4 g 5 . e g 4 r 5 . 4 1 g - a - t 4 e . / 8 5 . 8 C 0 5 I O I l F i b e r V o l u m e F r a c t i o n ( * 3 ) 8 . 7 0 4 7 . 2 5 _ 5 . 8 0 . 1 4 . 3 5 " 1 3 6 5 W a t e r / C a t e n t , S u p e r p l a s t i c i z e r / C a r e n t ( % ) O a r p r e s s i v e S t r a r g t h ( K s i ) 0 . 3 5 , 2 0 . 4 0 , 1 . 5 d . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h 3 6 6 w o r k a b i l i t y a n d a i r c o n t e n t . a n d t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l . T h e c o n s t a n t s i n t h e m i x t u r e s o f t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y w e r e t h e fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( a t 2 % ) , fi b e r a s p e c t r a t i o ( a t 5 7 , w i t h a l e n g t h o f 2 i n s 5 1 m m a n d a d i a m e t e r o f 0 . 0 3 5 i n . 0 . 8 m m ) , a n d fl y a s h - b i n d e r r a t i o ( a t 0 . 3 b y w e i g h t ) . A l l t h e fi b e r s u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y w e r e s t r a i g h t a n d r o u n d w i t h a n u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f a b o u t 1 3 0 K s i ( 9 0 0 N / m m z ) . T h e s p e c i fi c v a l u e s o f t h e m a t r i x m i x v a r i a b l e s a r e g i v e n i n T a b l e 4 . 1 . T h e a i r - e n t r a i n i n g a g e n t u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n w a s D r a v a i r p r o d u c e d b y W . R . G r a c e a n d C o m p a n y . 5 2 A i r c o n t e n t o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y w a s m e a s u r e d t h r o u g h t h e p r e s s u r e m e t h o d i n a c c o r d a n c e t o A S T M s t a n d a r d s . 2 7 T h e r e m a i n d e r o f m a t e r i a l s ( c e m e n t , fl y a s h , s u p e r p l a s t i c i z e r , s a n d , g r a v e l , fi b e r s ) , m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s ( m i x i n g a n d c u r i n g ) a n d t h e r e m a i n d e r o f t e s t i n g t e c h n i q u e s ( s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e , s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y , c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l b e h a v i o r s ) w e r e t h e s a m e a s r e p o r t e d i n C h a p t e r 2 . 5 4 . 1 m m T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e e f f e c t s o f e a c h m i x v a r i a b l e c o n s i d e r e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d a i r c o n t e n t , a n d h a r d e n e d m a t e r i a l m e c h a i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 4 . 4 . a E i n d g L n g g m ; T h e e f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t a t a c o n s t a n t w a t e r - b i n d e r 3 € Y 7 T a b l e 4 . 1 : M a t r i x m i x v a r i a b l e s V a r i a b l e M i x B i n d e r 4 0 / 5 5 / 0 m s W / B S P / B A B / B N o . C o n t e n t ( i n ) ( t ) ( i s ) ( 1 1 1 / d e ) S t a n d a r d 1 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 2 8 6 0 3 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 B i n d e r 3 7 8 0 3 . 5 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 C o n t e n t 4 5 5 0 4 . 5 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 5 5 1 0 5 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 5 5 5 0 5 . 7 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 A g g r e g a t e 7 7 2 0 4 . 0 1 . 5 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 G r a d a t i c n 8 7 2 0 . 0 0 . 5 7 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 M a x i m u r t 9 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 8 0 . 4 0 1 . 5 0 A g g r e g a t e 1 0 7 2 0 4 . 1 . 0 3 / 1 5 0 . 4 0 1 . 5 0 S i z e ( s a n d ) 1 1 7 3 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 3 5 1 . 5 0 W a t e r / 1 2 7 1 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 2 1 . 5 0 B i n d e r 1 3 7 0 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 5 1 . 5 0 1 4 5 9 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 5 0 1 . 5 0 S u p e r p l a s - 1 5 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 0 0 t i c i z e r l . 1 5 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 0 . 5 0 B i n d e r 1 7 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 0 0 A i r a i r r a - 1 8 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 . 1 i n i n g 1 9 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 0 . 5 A g e n t / 2 0 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 1 . 0 B i n d e r 2 1 7 2 0 4 . 0 1 . 0 3 / 4 0 . 4 0 1 . 5 1 . 5 R a t i o s a r e b y w e i g h t A 9 " A g g r e g a t e B I B i r r d e r S - S a n d G 8 G r a v e l m s : M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e W a W a t e r S P = S u p e r p l a s t i c i z e r A F . A i r m t r ‘ a i n i n g A g e n t 1 i n a 2 5 . 4 m , 1 1 1 5 / d e = 0 . 5 k g / m 3 3 6 8 r a t i o o n t h e f r e s h m i x s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 6 . a , 4 . 6 . b a n d 4 . 6 . 0 , r e s p e c t i v e l y . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e b i n d e r i n t h e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y c o n s i s t e d o f 7 0 % c e m e n t t y p e I a n d 3 0 % c l a s s F fl y a s h b y w e i g h t . T h e i n c r e a s e i n b i n d e r c o n t e n t i s o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 6 t o i n c r e a s e s l u m p , d e c r e a s e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d i n c r e a s e t h e s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y , a l l o f w h i c h a r e i n d i c a t i v e o f i m p r o v e m e n t s i n w o r k a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n b i n d e r c o n t e n t . I t s e e m s t h a t t h e r e i s a l i m i t o n b i n d e r c o n t e n t b e l o w w h i c h t h e w o r k a b i l i t y t e n d s t o b e u n a c c e p t a b l e e v e n t h o u g h t h e o t h e r m i x v a r i a b l e s ( i n c l u d i n g t h e w a t e r - b i n d e r r a t i o ) a r e n o t c h a n g e d . A s a r e s u l t , t h e fi b r o u s m i x u r e s t e n d t o b e r i c h e r i n b i n d e r c o n t e n t w h e n c o m p a r e d w i t h p l a i n c o n c r e t e m i x t u r e s . F i g u r e s 4 . 7 . a a n d 4 . 7 . b p r e s e n t t h e fl e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n a n d t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s , r e s p e c t i v e l y , o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i f f e r e n t b i n d e r c o n t e n t s . F i g u r e s 4 . 8 a n d 4 . 9 s h o w t h e t r e n d s ( d e r i v e d f r o m F i g u r e 4 . 7 ) i n s o m e c h a r a c t e r i s t i c fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s a s i n fl u e n c e d b y t h e b i n d e r c o n t e n t . F i g u r e 4 . 8 . a a n d b i n d i c a t e t h a t w h i l e t h e f i r s t c r a c k s t r e n g t h t e n d s t o r e m a i n m o r e o r l e s s c o n s t a n t , t h e u l t i m a t e fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g b i n d e r c o n t e n t . T h e f l e x u r a l d e fl e c t i o n a t f i r s t c r a c k i n F i g u r e 4 . 8 . 0 s e e m s t o b e l a r g e l y i n d e p e n d e n t o f t h e b i n d e r c o n t e n t . T h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r t h e l o a d - d e fl e c t i o n c u r v e u p 3 6 9 S l u r p ( i n ) 0 l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / $ 1 3 ) ) a . S l u m p . 1 i n a 2 5 . 4 m m F i g u r e 4 . 6 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . 3 7 0 I n v e r t e d S l u m p C o n e T i m e ( s e c ) 6 0 - 4 0 — 2 0 ‘ 0 l l 1 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 l l b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 3 7 1 4 " ) S u b j e c t i v e W o r k a b i l i t y 3 — 2 - 1 1 _ 0 i l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( C e m e n t C o n t e n t ( l b / y d 3 l l c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y - l 0 A g g r e g a t e / B i n d e r , B i n d e r C o n t e n t ( l b / Y d B ) l 0 . 2 l . 0 4 l . 5 0 4 0 3 O 2 0 1 0 3 7 2 F l e x u r a l L o a d ( k i p s ) 4 , 7 2 0 \ ; : ' ~ - m s , 5 1 0 \ ~ ~ . 9 * 9 - a . g ° ' - - - - — i . § : 2 2 8 9 - 9 - 9 - 5 . 7 , 5 5 0 F l e x u r a l D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l l o a d d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p F i g u r e 4 . 7 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r f e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i - 5 . 9 N / m m 2 . C a r p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 6 — ‘ - 3 7 3 A g g r e g a t e / B i n d e r , B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 ) ' - . _ \ \ : k 8 6 0 , \ 3 . 5 , 7 8 0 2 . . . \ 4 , 7 2 0 0 . \ 5 , 5 1 0 \ 5 7 , 5 5 0 4 . 5 . 5 5 0 ° l r l l 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 C o r r p r e s s i v e S t r a i n b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e 3 7 4 F l e x u r a l F i r s t C r a c k l o a d ( K i p s ) 1 6 " “ l 1 2 - 1 8 1 r I l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / N 3 ” a . F i r s t - c r a c k l o a d F i g u r e 4 . 8 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n t h e c h a r a c t e r i s t i c fl e x u r a l p r o p e r t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p i n - 1 1 4 N . m b . U l t i m a t e l o a d 3 7 5 F l e x u r a l U l t i m a t e L o a d ( R i p s ) 4 0 — 3 0 _ 2 0 - 1 0 _ 0 l l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / $ 1 3 ) ) 3 7 6 F l e i o i r a l D e f l e c t i o n a t F i r s t C r a c k ( i n ) 0 . 2 0 — 0 . 1 5 ‘ - 0 . 1 0 _ 0 . 0 5 _ n l l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 l ) c . D e fl e c t i o n a t fi r s t c r a c k 3 7 7 F l e i m r a l E n e r g y A b s o r p t i o n - t C a p a c i t y ( K i p . i n ) 1 2 - 9 — 5 . . 3 - ° 1 l i 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / 3 1 : 1 3 ) ) d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 3 7 8 F l e x u r a l T o u g h n e s s 1 s - 1 2 — 9 1 l l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 1 5 5 0 ) 5 . 0 1 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 l l e . T o u g h n e s s i n d e x 3 7 9 t o a d e f l e c t i o n 5 . 5 t i m e s t h e d e fl e c t i o n a t fi r s t c r a c k ) s e e m s i n F i g u r e 4 . 8 . d t o g e n e r a l l y i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g b i n d e r c o n t e n t w i t h i n t h e r a n g e s c o n s i d e r e d i n t h i s s u t d y . F l e x u r a l t o u g h n e s s i n d e x ( d e f i n e d a s t h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d i v i d e d b y t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e u p t o fi r s t c r a c k ) i s o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 8 . 8 t o h a v e a t e n d e n c y , w i t h s o m e e x c e p t i o n s , t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g b i n d e r c o n t e n t . O n e m a y c o n c l u d e f r o m F i g u r e 4 . 7 . a a n d 4 . 8 t h a t t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d t o u g h n e s s c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d t o i m p r o v e r a t h e r s i g n i f i c a n t l y w i t h t h e i n c r e a s e i n b i n d e r c o n t e n t . F i g u r e s 4 . 7 . b a n d 4 . 9 p r e s e n t t h e e f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i n F i g u r e 4 . 9 . c i s d e fi n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e u p t o a s t r a i n 5 . 5 t i m e s t h e s t r a i n a t p e a k s t r e s s ; a n d t h e c o m p r e s i v e t o u g h n e s s i n d e x i n F i g u r e 4 . 9 . d i s d e fi n e d a s t e h e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d i v i d e d b y t h e p r e - p e a k a r e a u n d e r n e a t h t h e s t r e s s - s t r a i n c u r v e . I t m a y b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e s 4 . 7 . b a n d 4 . 9 t h a t t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s n o t s i g n i fi c a n t l y i n fl u e n c e d b y t h e b i n d e r c o n t e n t w i t h i n t h e r a n g e o f v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . 4 . 4 . b W T h e e f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h o t h e r w i s e c o m p a r a b l e m i x p r o p o r t i o n s a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 1 0 . a , b a n d 0 , r e s p e c t i v e l y . W h i l e t h e s l u m p i s o n l y s l i g h t l y i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t , t h e r e i s a c o n s i s t e n t d r o p i n i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 3 8 0 c o m p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 8 . — 6 . . 4 . . 2 — ° 1 l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / y d 3 ) ) a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 4 . 9 : E f f e c t s o f b i n d e r c o n t e n t ( a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o ) o n c h a r a c t r i s t i c c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s . 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N , 1 K s i a 5 . 9 N / m m 2 , 1 K i p i n - 1 1 4 N . m . 1 . 5 1 1 2 3 0 ) l . 3 0 ( 8 6 0 ) l . 4 5 1 5 5 0 ) l 5 . 0 1 5 4 0 ) 3 £ 3 1 S t r a i n a t P e a k S t r e s s 0 . 0 0 7 0 ' - 0 . 0 0 3 5 ' - A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( 1 5 / 3 7 0 3 ) ) b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s 3 8 2 C a r p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n ( l b . i n / i n 3 ) 8 0 - — 6 0 . — 4 4 0 _ . 2 0 ' - 0 l . 1 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / 3 6 3 ) ) c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x 3 8 3 C o u p r e s s i v e T o u g h n e s s I n d e x 8 . . 6 . — 4 - 2 - O T l l 1 . 5 ( 1 2 3 0 ) 3 . 0 ( 8 6 0 ) 4 . 5 ( 6 6 0 ) 6 . 0 ( 5 4 0 ) A g g r e g a t e - B i n d e r R a t i o ( B i n d e r C o n t e n t ( l b / $ 1 3 ) ) S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( % ) 3 8 4 S l u r p ( i n ) 6 - 3 . . . 0 ‘ L { k l l 0 0 . 5 1 . 0 a . S l u m p 1 i n = 2 5 . 4 m m F i g u r e 4 . 1 0 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . m a t e d 5 1 ‘ 1 “ ? C a r e T i m e ( s e c ) 6 0 - 4 2 0 0 ' 4 . - 0 0 l . 0 5 l . 1 0 | 1 . 5 b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 3 8 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 3 8 6 S u b j e c t i v e N b r k a b i l i t y 3 — 2 _ 1 . . 0 l l l 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 3 8 7 a n d a c o n s i s t e n t i n c r e a s e i n s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y i n d i c a t i n g t h a t t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t h a s p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e c o m p a c t i b i l i t y a n d w o r k a b i l i t y p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( w i t h i n t h e r a n g e s o f m i x v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y ) . T h e r e , h o w e v e r , s e e m s t o b e a m a x i m u m s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t b e y o n d w h i c h t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y w o u l d n o t b e i m p r o v e d s i g n i fi c a n t l y . F i g u r e s 4 . 1 1 . a a n d 4 . 1 1 . b p r e s e n t t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n a n d t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f c o m p a r a b l e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i f f e r e n t s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t . C h a r a c t e r i s t i c f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( a s d e r i v e d f r o m F i g u r e 4 . 1 1 ) a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 1 2 a n d 4 . 1 3 , r e s p e c t i v e l y , a s f u n c t i o n s o f t h e s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o f t h e m i x . T h e g e n e r a l c o n c l u s i o n t h a t c a n b e d e r i v e d f r o m F i g u r e 4 . 1 1 a n d 4 . 1 2 i s t h a t t h e r e i s a s l i g h t i m p r o v e m e n t i n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t . F i g u r e s 4 . 1 1 . b a n d 4 . 1 3 , h o w e v e r , d o n o t s h o w a n y s i g n i fi c a n t d e p e n d e n c e o f t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e o n t h e s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o f t h e m i x . 4 . 4 . 0 W T h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o i s o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 1 4 t o i m p r o v e a l l a s p e c t s o f t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . I t i s , h o w e v e r , w o r t h m e n t i o n i n g t h a t e x c e s s w a t e r - b i n d e r r a t i o s m a y g e n e r a t e c o n c r e t e m a t r i c e s w i t h h i g h f l u i d i t y i n w h i c h t h e s t e e l fi b e r s t e n d t o s e t t l e d o w n . T h e w a t e r c o n t e n t 3 8 8 F l e x u r a l L o a d ( K i p s ) 4 0 " , 3 0 . . S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 2 0 _ . . . . I . O O I . . . . . ' a . ’ . ' o 0 . / / . § ‘ . ' 5 ’ . 1 . 5 3 \ e . . ' / o \ a ? 0 ' 5 3 / / \ 1 5 2 : f o 1 . 5 : : 5 K ‘ 1 0 . . J \ 1 Q l \ . " . 0 4 . , \ \ ‘ 3 ' 3 , . “ - - — . _ . " “ 3 4 ; ; ; _ _ . , 1 r - ~ l I l 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 F l e x u r a l D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p F i g u r e 4 . 1 1 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K 5 = 5 9 W m m 2 \ S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p 3 8 9 C u r p r e a s i v e S t r e s s ( K s i ) - . \ . 0 . . . . \ . \ . \ \ \ 1 5 0 5 \ ‘ ~ _ - 0 . 0 - “ ~ ~ 1 0 0 1 . 0 1 . 0 ! 0 2 0 7 0 3 C o m p r e s s i v e S t r a i n 3 9 0 F i r s t - C r a c k L o a d ( K i p s ) 1 5 . 1 1 2 . . 3 . . 4 — 0 l l T 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) a . F i r s t c r a c k l o a d F i g u r e 4 . 1 2 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e f l e x u r a l c h a r a c t r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n . 1 1 4 N . m . 4 0 3 0 % 2 0 . . 1 0 3 9 1 U l t i m a t e F l e x u r a l L o a d ( K i p s ) l l l 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 0 . U l t i m a t e l o a d 3 9 2 D e f l e c t i o n a t F i r s t - C r a c k F l e x u r a l L o a d ( i n ) 0 . 2 0 - 0 0 1 5 - 0 . 1 0 - 0 . 0 5 “ 0 l l l 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) c . D e fl e c t i o n a t fi r s t c r a c k 1 1 . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 3 . 4 3 9 3 F l e x u r a l E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( K i p . i n ) 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 1 2 - I 3 9 4 F l e x u r a l T o u g h n e s s 0 . 5 1 . 0 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) e . T o u g h n e s s i n d e x 1 . 5 3 9 5 C a r p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 8 — 5 - C 4 - 2 . . 0 l l 0 0 . 5 1 . 0 l ! 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 4 . 1 3 : E f f e c t s o f s u p e r p l a s t i c i z e r c o n t e n t o n t h e c h a r a c t r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K s i . 5 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . 3 9 6 S t r a i n a t P E a k C o m p r e s s i v e S t r e s s 0 . 0 0 7 0 — 0 . 0 0 3 5 - 0 l l l 0 _ 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s c . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 3 9 7 C a r p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( l b . i n / i n 3 ) 8 0 — 6 0 4 0 ' - 2 0 . — 0 l l l 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 3 9 8 ( x n r m e s s i v e T b u g h n e s s l l 0 . 5 1 . 0 1 . 5 S u p e r p l a s t i c i z e r - B i n d e r R a t i o ( 8 ) d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x . 3 9 9 S l u m b l i n ) l T 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . 4 m m F i g u r e 4 . 1 4 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . 0 . I n v e r t e d S l u m p c o n e t i m e 4 0 0 I n v e r t e d S l u r p C o n e T i m e ( s e c ) 4 0 _ 2 0 - 0 l l l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o 4 0 1 S t b j e c t i v e W o r k a b i l i t y 4 — 3 — 2 . . . 1 . . ° l l l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o 0 . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 4 0 2 e f f e c t s o f t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f o t h e r w i s e c o m p a r a b l e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 1 5 , 4 . 1 6 a n d 4 . 1 7 . F i g u r e s 4 . 1 5 . a a n d 4 . 1 6 i n d i c a t e t h a t t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e i s n o t s i g n i fi c a n t l y i n fl u e n c e d b y t h e v a r i a t i o n s i n w a t e r - b i n d e r r a t i o w i t h i n t h e r a n g e c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . T h e r e i s o n l y s o m e d r o p i n t h e t o u g h n e s s i n d e x ( i n d i c a t i n g d a m a g e t o t h e p o s t - p e a k p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r f l e x u r a l l o a d s ) r e s u l t i n g f r o m t h e d e c r e a s e i n w a t e r - c e m e n t r a t i o . F i g u r e s 4 . 1 5 . b a n d 4 . 1 7 . a a r e i n d i c a t i v e o f t h e d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o i n t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y . T h e e f f e c t s o f w a t e r - b i n d e r r a t i o o n t h e c o m p r e s s i v e s t r a i n a t p e a k s t r e s s , e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s , t e n d , h o w e v e r , t o b e r e l a t i v e l y s m a l l a s s h o w n i n F i g u r e s 4 . 1 7 . b , c a n d d , r e s p e c t i v e l y . 4 . 4 . d M a x i m u m A g g r e g a t e fi i z g ; F i g u r e s 4 . 1 8 . a , b a n d 0 p r e s e n t t h e e f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e r e i s a g e n e r a l t e n d e n c y i n w o r k a b i l i t y t o i m p r o v e w i t h i n c r e a s i n g m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . T h i s i s m o r e o b v i o u s i n t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y ( F i g u r e s 4 . 1 8 . 0 a n d c ) t h a n t h e s l u m p ( F i g u r e 4 . 1 8 . a ) . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e r e d u c t i o n i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e w a s a c h i e v e d i n t h i s s t u d y b y s i m p l y e l i m i n a t i n g t h e c o a r s e r a g g r e g a t e s f r o m t h e m i x . H e n c e , m i x e s w i t h s m a l l e r m a x i m u m a g g r e g t e s i z e t e n d t o h a v e a g g r e g a t e w i t h a h i g h e r d e g r e e o f f i n e n e s s . T h e l a r g e r s u r f a c e a r e a o f a g g r e g a t e i n t h i s c o n d i t i o n w o u l d r e q u i r e h i g h e r w a t e r a n d p a s t e c o n t e n t s t o w d t e r - B i n d e r R a t i o 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 4 0 3 F l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 4 0 - ! 3 0 — F l e x u r a l D e f l e c t i o n ( i n ) a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p F i g u r e 4 . 1 5 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N , 1 K s i = 5 . 9 N / m m z . 1 4 0 4 C a t p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) - ° 3 . W a t e r - B i n d e r R a t i o l T l 0 . 0 1 - 0 . 0 2 0 . 0 3 C a r p r e s s i v e S t r a i n b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e 4 0 5 F i r s t C r a c k F l e x u r a l L o a d ( K i p s ) 1 6 - 1 2 . _ 8 — 4 — 0 l T l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o a . F i r s t c r a c k l o a d F i g u r e 4 . 1 6 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N , 1 K s i a 5 . 9 N / m m 2 , 1 K i p . i n e 1 1 4 N . m U l t i m a t e F l e x u r a l L o a d ( K i p s ) 4 3 2 1 0 0 0 0 . - _ " . l 0 . 3 5 l . 0 4 0 l . 0 4 5 l . 0 5 0 4 ( 3 6 w a t e r - B i n d e r R a t i o 0 . U l t i m a t e l o a d 4 0 7 D e f l e c t i o n a t F i r s t - C r a c k F l e x u r a l L o a d ( i n ) 0 . 1 5 . . 0 . 1 0 — 0 . 0 5 ' — 0 l 1 l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o 0 . D e f l e c t i o n a t f i r s t c r a c k 4 ' 0 8 F l e x u r a l E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( K i p . i n ) 1 2 - ‘ 9 - — ( 6 — 3 — . 0 - l T T 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o d . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 4 0 9 F l e x u r a l T o u g h n e s s 1 5 - 1 2 — t 9 _ 6 . . l 3 l l l 0 . 3 5 0 . 4 5 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o e . T o u g h n e s s i n d e x . a . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h 4 1 0 C a r p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 4 — | l l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o F i g u r e 4 . 1 7 : E f f e c t s o f w a t e r c o n t e n t o n t h e c h a r a c t e r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i a 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . 4 1 1 S t r a i n a t P e a k C a r p r e s s i v e S t r e s s 0 . 0 0 7 0 _ 0 . 0 0 3 5 ' - 0 i T l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o 0 . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s 4 1 2 C a t p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( l b . i n / i n 3 ) 8 0 — 6 0 " 1 4 0 - 2 0 - 0 . 3 5 l l 0 . 4 0 0 . 4 5 W a t e r - B i n d e r R a t i o 0 . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 0 . 5 0 d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x 4 1 3 C o m p r e s s i v e T o u g h n e s s 8 . . 6 4 . . 2 - 0 l l l 0 . 3 5 0 . 4 0 0 . 4 5 0 . 5 0 W a t e r - B i n d e r R a t i o 4 1 4 S l u r p ( i n ) 6 — . 3 — a 0 4 + : 1 l 0 3 / 1 6 3 / 8 3 / 4 M a x i m u n A g g r e g a t e S i z e ( i n ) a . S l u m p . 1 i n = 2 5 . 4 m m F i g u r e 4 . 1 8 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 4 1 5 I n v e r t e d S l u r p C o n e T i m e ( s e c ) 6 0 " ‘ 4 0 — 2 0 . . 0 3 / 1 6 3 / 8 3 / 4 M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) 4 1 6 S u b j e c t i v e W o r k a b i l i t y 3 — 1 2 - 1 _ . 0 l r l 3 / 1 6 3 / 8 3 / 4 M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e ( i n ) c . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 4 1 7 b e c o a t e d a n d l u b r i c a t e d . T h e r e d u c t i o n o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e w i t h n o f u r t h e r a d j u s t m e n t o f t h e m i x p r o p o r t i o n s , t h u s , r e s u l t s i n d a m a g e t o w o r k a b i l i t y . F i g u r e 4 . 1 9 , 4 . 2 0 a n d 4 . 2 1 s u m m a r i z e t h e e f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e c o m p r e s s i v e a n d fl e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . F i g u r e s 4 . 1 9 . a a n d 4 . 2 0 i n d i c a t e t h a t t h e i n c r e a e i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e r e s u l t s i n a s l i g h t i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d s o m e m o r e i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y a n d t o u g h n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e n o t i n g t h a t t h e s e c o n c l u s i o n s a r e b a s e d o n a s m a l l s e t o f t e s t d a t a . A s f a r a s t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r i s c o n c e r n e d , F i g u r e s 4 . 1 9 . a a n d 4 . 2 1 i n d i c a t e t h a t t h e i n c r e a s e i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e d o e s n o t h a v e m a j o r e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e l i m i t e d t e s t d a t a g e n e r a t e d d o e s n o t s e e m t o b e s u f f i c i e n t t o m a k e f u r t h e r c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g m a x i m u m a g g r e g t e s i z e e f f e c t o n t h e p e r f o r m a n c e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r c o m p r e s s i o n . 4 . 4 . 9 W a n t ) ; T h e g r a d a t i o n o f a g g r e g a t e s w a s m o d i f i e d i n t h i s s t u d y b y a d j u s t i n g t h e w e i g h t r a t i o o f c o a r s e t o f i n e a g g r e g a t e s . C o a r s e r a g g r e g a t e g r a d a t i o n w a s o b t a i n e d b y i n c r e a s i n g t h i s r a t i o . T h e e f f e c t s o f c o a r s e - t o - f i n e a g g r e g a t e r a t i o o n t h e s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y o f f r e s h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 4 . 2 2 . a , b a n d c . r e s p e c t i v e l y . S l u m p a s a w e a k r e p r e s e n t a t i v e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w o r k a b i l i t y t e n d s t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g c o a r s e a g g r e g a t e c o n t e n t i n M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e i o n ( i n ) e g a t e s i z e o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e - F l e x u r a l D e f l e c F i g u r e 4 . 1 9 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g t r 4 1 8 F e l x u r a l l o a d ( K i p s ) 3 0 - 2 0 . - 1 0 - I l l I 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p p e r f o r m a n c e . 1 i n . . 2 5 . 4 m m , 1 K i p a 4 . 5 K N , 1 K s i a 5 . 9 N / m m z . M M A g g r e g a t e S i z e 0 0 C b . l . 0 1 l . 0 0 2 . l 0 3 0 . o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n c u r v e 4 1 9 C a r p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) C a r p r e s s i v e S t r a i n 4 2 0 F l e x u r a l F i r s t C r a c k l o a d ( K i p s ) 1 6 . . 1 2 - r 8 — 4 . . 0 l l 0 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u n A g g r e g a t e S i z e ( i n ) a . F i r s t c r a c k l o a d F i g u r e 4 . 2 0 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . 0 . U l t i m a t e l o a d 4 2 1 U l t i m a t e F l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 4 0 ' 1 3 0 — . 2 0 _ _ . _ _ _ 1 0 - 0 I - l 0 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) c . D e f l e c t i o n a t f i r s t c r a c k 4 2 2 D e f l e c t i o n a t F i r s t C r a c k ( i n ) 0 . 1 0 . . 4 . . 0 . 0 5 - 0 ‘ I 0 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e ( i n ) I I » 0 . E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 4 2 2 3 F l e x u r a l E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( K i p . i n ) l T 3 / 4 3 / 1 5 M a x i m u m A g g r e g a t e S i z e ( i n ) M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) 4 2 4 F l e x u r a l T o u g h n e s s 1 2 - 9 — 1 6 fl 3 . — 0 l i 0 3 / 1 6 . 3 / 4 e . T o u g h n e s s i n d e x a . C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 4 2 5 C o r r p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) a 5 . 4 k 4 . . 2 - + 0 1 I 0 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) F i g u r e 4 . 2 1 : E f f e c t s o f m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o n t h e c h a r a c t e r i s t i c c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . b . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s 4 2 6 S t r a i n a t P e a k C a r p r e s s i v e S t r e s s 0 . 0 0 7 0 " ‘ 0 . 0 0 3 5 ' 4 0 I I 0 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) l / 4 3 l / 3 1 c . C 6 o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 8 0 - 1 6 0 - 4 2 7 C a r p r e s s i v e m e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( l b . i n / i n 3 ) M a x i m u n A g g r e g a t e S i z e ( i n ) 6 - 4 2 8 C a r t p r e s s i v e T o u g h n e s s I I 3 / 1 6 3 / 4 M a x i m u r t A g g r e g a t e S i z e ( i n ) d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x 4 2 9 S l u r p ( i n ) 6 — I 3 . — o . h ; / l I l 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 , 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 3 . S l u m p . 1 i n = - 2 5 . 4 F i g u r e 4 . 2 2 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e . 4 3 0 I n v e r t e d S l u n p r C c n e T i m e ( s e c ) 6 0 " 4 0 “ 2 0 ' 1 0 r l l 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o b . I n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e 4 — 3 . . 2 - 1 . . 0 0 . 0 S u b j e c t i v e w e r k a b i l i t y 0 l . S 5 a G r a v e l - n d R a t i o l . 1 0 I 5 1 . 0 . S u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y 4 3 1 4 3 2 F i g u r e 4 . 2 2 . a . T h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y t e s t r e s u l t s i n F i g u r e s 4 . 2 2 . b a n d 0 , h o w e v e r , i n d i c a t e t h a t t h e r e i s a n o p t i m u m c o a r s e - t o — fi n e a g g r e g a t e r a t i o d i v i a t i o n f r o m w h i c h i n a n y d i r e c t i o n w o u l d t e n d t o d a m a g e w o r k a b i l i t y . T h e d a m a g e m a y o c c u r b y t e n d e n c i e s t o w a r d fi b e r b a l l i n g w h e n c o a r s e a g g r e g a t e c o n t e n t i s i n c r e a s e d , a n d b y i n c r e a s i n g t h e s u r f a c e a r e a o f a g g r e g a t e s w h e n h i g h e r f i n e a g g r e g a t e c o n t e n t i s u s e d . F i g u r e s 4 . 2 3 , 4 . 2 4 a n d 4 . 2 5 s u m m a r i z e t h e t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y r e g a r d i n g t h e e f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n o n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . F o r m F i g u r e s 4 . 2 3 . a a n d 4 . 2 4 , o n e m a y c o n c l u d e t h a t , f o r s p e c i fi c m i x p r o p o r t i o n s , t h e r e i s a n o p t i m u m a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( m a r k e d i n t h i s s t u d y b y a c o a r s e - t o - f i n e a g g r e g a t e r a t i o e q u a l t o 1 . 0 ) f o r a c h i e v i n g t h e b e s t f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f t h e m a t e r i a l . A n i n c r e a s e o r d e c r e a e i n c o a r s e a g g r e g a t e c o n t e n t w o u l d r e s u l t i n s o m e d a m a g e t o t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . I t i s d i f f i c u l t t o d e r i v e g e n e r a l c o n c l u s i o n s r e g a r d i n g t h e a g g r e g a t e g r a d a t i o n e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r o m F i g u r e s 4 . 2 3 . 0 a n d 4 . 2 5 . T h e r e i s , h o w e v e r , a t e n d e n c y i n c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e t o b e d a m a g e d b y t h e i n c r e a s e i n c o a r s e - t o - fi n e a g g r e g a t e r a t i o . 4 . 4 . f A i L E n g r a i n i n g A g g m ; T h e e f f e c t s o f t h e d o s a g e o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t o n t h e a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s p r e s e n t e d i n F i g u r e 4 . 2 6 . T h e a i r c o n t e n t i s o b s e r v e d i n t h i s fi g u r e t o i n c r e a s e , a t a d e c r e a s i n g r a t e , w i t h t h e F l e x u r a l D e f l e c t i o n ( i n ) 4 3 3 F l e x u r a l l o a d ( K i p s ) 3 0 — 2 0 — . G r a v e l / S a n d 1 0 1 . 0 0 “ . \ _ 0 . 0 0 . . . . “ 1 . 5 0 0 . 5 7 0 I I l 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 a . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p F i g u r e 4 . 2 3 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e l o a d - d e f o r m a t i o n c u r v e s . 1 i n a 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K 5 1 = 5 . 9 N / m m 2 s s i v e S t r e s s ( K s i ) ( i m p I r ' e \ b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p 1 4 3 4 G r a v e 1 / S a n d 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 , 0 3 ( I m p r e s s i v e S t r a i n N i F l e x u r a l F i r s t C r a c k L o a d ( K i p s ) 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 5 . F i r s t c r a c k l o a d 4 3 5 l I I G r a v e l - S a n d R a t i o F i g u r e 4 . 2 4 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n f l e x u r a l p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K i p = 4 . 5 K N , 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m . 0 . U l t i m a t e l o a d 4 3 6 U l t i m a t e F l e m r a l l o a d ( K i p s ) 3 0 " I 2 0 3 r 1 0 ‘ - 0 T l 1 1 5 0 5 1 . 0 . 0 . G r a v e l - S a n d R a t i o 0 . D e f l e c t i o n a t fi r s t c r a c k 4 3 7 D e f l e c t i o n a t F i r s t C r a c k ( i n ) 0 . 1 5 " l 0 . 1 0 " 0 . 0 5 “ 0 . 0 0 I l I 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o d E n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 4 3 8 F l e x u r a l E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( K i p . i n ) 9 . . 6 — F 3 ‘ ! ° I I 1 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 4 3 9 F l e x u r a l T o u g h n e s s I n d e x 1 2 — 9 . . 6 — 3 — 0 I - I I 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 9 . T o u g h n e s s i n d e x 4 4 0 c r n p r e s s i v e S t r e n g t h ( K s i ) 8 . . 6 4 - 4 2 . . ° 1 I l 0 . 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 3 . C o m p r e s s i v e s t r e n g t h F i g u r e 4 . 2 5 : E f f e c t s o f a g g r e g a t e g r a d a t i o n ( g r a v e l - s a n d r a t i o ) o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 N / m m z , 1 K i p . i n - 1 1 4 N . m . 4 4 1 S t r a i n a t P e a k C o m p r e s s i v e S t r e s s 0 . 0 0 7 0 ' — 0 . 0 0 3 5 } N a l . l I 0 . 0 0 . 5 1 . 0 ‘ 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 0 . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s C a t p r e s s i v e E n e r g y A b s o r p t i o n C a p a c i t y ( l b . i n / i n 3 ) 4 4 2 4 0 — 2 0 " " I I I 0 . 0 0 . 5 1 , 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o 0 . C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y 3 — 1 4 4 3 C o m p r e s s i v e T b u g h n e s s I n d e x 0 . 0 I I I 0 . 5 1 . 0 1 . 5 G r a v e l - S a n d R a t i o d . C o m p r e s s i v e t o u g h n e s s i n d e x A i r - B i t r a i n i n g A g e n t - B i n d e r R a t i o ( 8 ) 4 4 4 A i r C o n t e n t i n F r e s h M i x ( 8 ) 2 0 - % 1 0 . . 0 l l I I l 0 0 . 1 0 . 5 1 . 0 1 . 5 F i g u r e 4 . 2 6 : E f f e c t s o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t d o s a g e o n t h e a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 4 4 5 i n c r e a s e i n t h e a i r - e n t r a i n i n g a g e n t d o s a g e u p t o a c e r t a i n p o i n t b e y o n d w h i c h t h e e f f e c t p r a c t i c a l l y d i m i n i s h e s . A n a i r - e n t r a i n i n g a g e n t - b i n d e r r a t i o o f 0 . 1 % i s o b s e r v e d i n F i g u r e 4 . 2 6 t o g e n e r a t e t h e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t n e e d e d f o r d e s i r a b l e p e r f o r m a n c e u n d e r r e p e a t e d f r e e z e - t h a w c y c l e s . N W T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m a t r i x m i x v a r i a b l e s o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d . A t y p i c a l f i b r o u s m i x t u r e w i t h a r e l a t i v e l y h i g h f i b e r v o l u m e f r a c t i o n w a s u s e d a s a ” b a s i c ” m i x f o r t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e g e n e r a t e d t e s t d a t a i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d s t o i m p r o v e w i t h t h e i n c r e a s e i n b i n d e r ( c e m e n t : f l y a s h = 0 7 : 0 3 ) c o n t e n t . T h e r e a r e a l s o i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n b i n d e r c o n t e n t . T h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e , h o w e v e r , s e e m s t o b e l a r g e l y i n d e p e n d e n t o f t h e b i n d e r c o n t e n t . 2 . T h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e t e n d s t o i m p r o v e t h e c o m p a c t i b i l i t y a n d t h e o v e r a l l w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e r e i s a l s o s o m e t e n d e n c y i n t h e fl e x u r a l p e r f o r m a n c e t o i m p r o v e w i t h t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e . C o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e i s l e a s t i n f l u e n c e d b y t h e 4 4 6 c h a n g e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e . 3 . T h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o t e n d s t o i m p r o v e t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x t u r e s . I t s h o u l d , h o w e v e r , b e n o t e d t h a t e x c e s s i v e w a t e r c o n t e n t s m a y p r o d u c e f l u i d c o n c r e t e m a t r i c e s i n w h i c h t h e s t e e l f i b e r s t e n d t o s e t t l e d o w n . T h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o r e s u l t s i n a d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e c o r r e s p o n d i n g d a m a g e t o t h e c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e o v e r a l l f l e x u r a l p e r f o r m a n c e a r e , h o w e v e r , l e s s o b v i o u s . 4 . T h e w o r k a b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i m p r o v e s w i t h i n c r e a s i n g a g g r e g a t e s i z e ( w i t h i n t h e r a n g e o f v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y ) . T h e i n c r e a s e i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a l s o r e s u l t s i n a s l i g h t i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d s o m e m o r e i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l s e e m s t o b e l a r g e l y i n d e p e n d e n t o f t h e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e i n t h e m i x t u r e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . 5 . T h e r e i s a n o p t i m u m a g g r e g a t e g r a d a t i o n t h e d e v i a t i o n f r o m w h i c h t o w a r d s c o a r s e r o r f i n e r g r a d a t i o n d a m a g e s t h e w o r k a b i l i t y a n d f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e o p t i m u m g r a d a t i o n w a s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y b y t h e u s e o f c o a r s e - t o - fi n e a g g r e g a t e r a t i o o f 1 . 0 . 4 4 7 6 . T h e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s i n c r e a s e s a t a d e c r e a s i n g r a t e w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e d o s a g e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t . D e s i r a b l e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t s f o r r e s i s t a n c e a g a i n s t f r e e z e - t h a w c y c l e s c a n b e a c h i e v e d b y t h e u s e o f d o s a g e s o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e r e c o m m e n d e d f o r c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . C H A P T E R 5 i m f r i l o i t e e L E l b e L B e i n l e r c e d m c r e t e M e t a l F l y a s h a n d s i l i c a f u m e a r e t h e t w o p o z z o l a n i c m a t e r i a l s w h i c h h a v e b e e n e s t a b l i s h e d i n t h e r e c e n t y e a r s a s c o m m o n l y u s e d m i n e r a l a d m i x t u r e s c a p a b l e o f p r o v i d i n g p l a i n . a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i s t i n c t p e r f o r m a n c e a d v a n t a g e s . B e i n g p o z z o l a n i c m a t e r i a l s , b o t h s i l i c a f u m e a n d f l y a s h r e a c t w i t h t h e a l k a l i c a l c i u m h y d r o x i d e p r o d u c e d b y t h e h y d r a t i o n o f p o r t l a n d c e m e n t , l e a d i n g t o t h e f o r m a t i o n o f c a l c i u m s i l i c a t e h y d r a t e w h i c h h a s d e s i r a b l e e f f e c t s o n t h e d e n s i t y a n d m i c r o s t r u c t u r e o f c o n c r e t e m a t e r i a l s , e s p c i a l l y a t i n t e r f a c e s b e t w e e n c e m e n t i t i o u s p a s t e a n d m i x i n c l u s i o n s ( e . g . a g g r e g a t e , f i b e r ) w h e r e t h e c o n c e n t r a t i o n o f c a l c i u m h y d r o x i d e i s g e n e r a l l y h i g h . F l y a s h a n d s i l i c a f u m e a l s o h a v e t h e i r d i f f e r e n c e s . S i l i c a f u m e i s d i s t i n g u i s h e d f r o m f l y a s h b y i t s fi n e n e s s , h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y a n d h i g h s i l i c a c o n t e n t . T h e e f f e c t s o f t h e t w o p o z z o l a n i c m a t e r i a l s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a r e a l s o d i f f e r e n t , w h i l e f l y a s h t e n d s t o i m p r o v e w o r k a b i l i t y , t h e r e v e r s e i s g e n r a l l y t r u e i n t h e c a s e o f s i l i c a f u m e . T h e r e s e a r c h r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r h a s b e e n c o n c e r n e d w i t h p a r t i a l s u b s t i t u t i o n o f c e m e n t w i t h fl y a s h o r s i l i c a f u m e i n t y p i c a l s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s . T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f p o z z o l a n c o n t e n t s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e e s t a b l i s h e d . T h e o p t i m u m p o z z o l a n c o n t e n t s f o r t h e s p e c i fi c t y p e s o f f l y a s h a n d s i l i c a f u m e u s e d i n t h e m i x e s o f t h i s s t u d y a r e d e c i d e d . 4 4 8 4 4 9 m m A b r i e f r e v i e w o f t h e m e c h a n i s m o f a c t i o n o f f l y a s h a n d s i l i c a f u m e i n c o n c r e t e t o g e t h e r w i t h t h e o u t c o m e s o f p a s t i n v e s t i g a t i o n s o n a p p l i c a t i o n s t o s t e e l f i b e r s r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e g i v e n b e l o w : 5 2 3 M i l l : F l y a s h i s t h e f i n e l y d i v i d e d r e s i d u e r e s u l t i n g f r o m t h e c o m b u s t i o n o f g r o u n d o r p o w d e r e d c o a l . 5 3 P r o b a b l y t h e m o s t i m p o r t a n t c o n s i d e r a t i o n i n t h e u s e o f f l y a s h i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s i t s a b i l i t y t o i m p r o v e t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y . 4 1 ' 5 4 T h e r o u n d s h a p e a n d fi n e n e s s o f fl y a s h p a r t i c l e s i m p r o v e t h e f l o w a b i l i t y o f t h e m i x . 5 5 W i t h fl y a s h , t h e v o l u m e o f c e m e n t i t i o u s p a s t e i n t h e m i x i n c r e a s e s ( d u e t o t h e l o w e r s p e c i fi c g r a v i t y o f f l y a s h c o m p a r e d t o c e m e n t , n o t i n g t h a t c e m e n t i s u s u a l l y r e p l a c e d w i t h f l y a s h o n a n e q u a l m a s s b a s i s ) a n d t h u s a m o r e e f f e c t i v e c o a t i n g o f fi b e r s a n d l u b r i c a t i o n o f t h e m i x i n c l u s i o n s w i l l b e a c h i e v e d . 5 4 T h e s e e f f e c t s i m p r o v e t h e d i s p e r s a b i i t y o f fi b e r s a n d w o r k a b i l i t y o f t h e f r e s h m i x . T h e i m p r o v e m e n t s i n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y i n t h e p r e s e n c e o f fl y a s h a r e e s p e c i a l l y o b v i o u s w h e n t h e f r e s h m a t e r i a l i s c o m p a c t e d t h r o u g h v i b r t i o n . 4 1 1 5 4 T h e i m p r o v e m e n t s i n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d fi b e r d i s p e r s a b i l i t y l e a d t o e n h a n c e d p r o p e r t i e s o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l i n t h e h a r d e n e d s t a t e . A p p l i c a t i o n o f fl y a s h t o s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , i n a d d i t i o n t o i m p r o v i n g t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d f i b e r d i s p e r s a b i l i t y , a l s o i m p a r t s t h e f o l l o w i n g i m p r o v e m e n t s t o t h e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e : 4 5 0 1 . F l y a s h c o n t r i b u t e s t o s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b y r e d u c i n g t h e w a t e r c o n t e n t w i t h o u t d a m a g i n g w o r k a b i l i t y . b y i n c r e a s i n g t h e v o l u m e o f p a s t e i n t h e m i x t u r e , a n d b y i t s p o z z o l a n i c r e a c t i o n . 5 6 2 . T h e i n c r e a s e i n c e m e n t i t i o u s p a s t e v o l u m e i n t h e p r e s e n c e o f f l y a s h l e a d s t o a b e t t e r c o a t i n g o f f i b e r s b y t h e m a t r i x m a t e r i a l a n d i m p r o v e d f i b e r - m a t r i x i n t e r a c i a l b o n d c h a r a c t e r i s t i c s . T h i s m a y c a u s e s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l p e r f o r m a n c e . 4 1 ' 5 4 3 . A l l o t h e r a d v a n t a g e s o f u s i n g f l y a s h i n p l a i n c o n c r e t e ( e n h a n c e d p o r e s y s t e m , r e d u c e d p e r m e a b i l i t y a n d i m p r o v e d d u r a b i l i t y , r e d u c e d a l k a l i - a g g r e g a t e r e a c t i v i t y , e c o n o m i c a n d e c h o l o g i c a l a d v a n t a g e s . e t c . ) 5 3 ' 5 7 w o u l d a l s o a p p l y t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . C e r t a i n p r e c a u t i o n s a r e n e e d e d t o t a k e f u l l a d v a n t a g e o f f l y a s h a p p l i c a t i o n s i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e : 4 1 1 5 3 ' 5 7 1 . T h e p r e s e n c e o f c a r b o n i n f l y a s h r e s u l t s i n t h e r e d u c t i o n o f t h e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t i n f l y a s h c o n c r e t e m a t e r i a l s . H e n c e , t h e d o s a g e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t u s e d i n fl y a s h c o n c r e t e s h o u l d b e a d j u s t e d a c c o r d i n g t o t h e c a r b o n c o n t e n t o f fl y a s h . 2 . F l y a s h g e n e r a l l y s l o w s d o w n t h e r a t e s o f s e t t i n g a n d h a r d e n i n g o f c o n c r e t e , a n d f l y a s h c o n c r e t e i s m o r e s e n s i t i v e t o t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n a n d m i g h t n e e d m o r e 4 5 1 f a v o r a b l e c u r i n g c o n d i t i o n t h a n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . 3 . F l y a s h , b e i n g a b y - p r o d u c t . h a s l a r g e r v a r i a t i o n s i n c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s t h a n p o r t l a n d c e m e n t , a n d a p p r o p r i t e q u a l i t y c o n t r o l m e a s u r e s s h o u l d b e t a k e n d e p e n d i n g o n t h e s p e c i f i c j o b r e q u i r e m e n t s . 5 . 2 . b S i l i g a fl m e : S i l i c a f u m e i s a b y - p r o d u c t r e s u l t i n g f r o m t h e r e d u c t i o n o f h i g h - p u r i t y q u a r t z w i t h c o a l i n e l e c t r i c a r c f u r n a c e s i n t h e p r o d u c t i o n o f s i l i c o n a n d s i l i c o n a l l o y s . 5 8 T h e f i n e n e s s a n d h i g h p o z z o l a n i c r e a c t i v i t y o f s i l i c a f u m e m a k e i t h i g h l y e f f e c t i v e i n e n h a n c i n g t h e s t r u c t u r a l d e n s i t y a n d a d h e s i o n c a p a c i t y i n t h e b u l k o f t h e c e m e n t p a s t e a n d e s p e c i a l l y w i t h i n t h e i n t e r f a c e z o n e s b e t w e e n t h e p a s t e a n d t h e m i x i n c l u s i o n s i n c l u d i n g f i b e r s . 4 8 ' 5 9 ' 6 ° E n h a n c e d fi b e r - m a t r i x b o n d c h a r a c t e r i s t i c s h a v e i m p o r t a n t e f f e c t s o n t h e s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f fi b e r r e i n f o r c e d s i l i c a f u m e c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s s y s t e m s . S t e e l f i b e r c o n r e t e s i n c o r p o r a t i n g s i l i c a f u m e a l s o e n j o y t h o s e a d v a n t a g e s i m p a r t e d t o p l a i n c o n c r e t e b y s i l i c a f u m e i n c l u d i n g : 5 8 1 . I n c r e a s e d c o h e s i v e n e s s a n d r e d u c e d s e g r e g a t i o n t e n d e n c i e s . 2 . R e d u c e d p e r m e a b i l i t y r e s u l t i n g f r o m t h e d e c r e a s e i n t h e n u m b e r o f c o a r s e p o r e s o f t h e c e m e n t p a s t e i n c o r p o r a t i n g s i l i c a f u m e , l e a d i n g t o e n h a n c e d d u r a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l . 4 5 2 3 . P o t e n t i a l s f o r d e v e l o p i n g v e r y h i g h s t r e n g t h . 4 . G r e a t e r s u l f a t e r e s i s t a n c e , r e d u c e d a l k a l i a g g r e g a t e r e a c t i v i t y a n d i m p r o v e d c h e m i c a l r e s i s t a n c e . O p t i m u m a p p l i c a t i o n o f s i l i c a f u m e i n c o n c r e t e a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w o u l d r e q u i r e c e r t a i n p r e c a u t i o n s a s d e s c r i b e d b e l o w : 1 . T h e h i g h s u r f a c e a r e a o f s i l i c a f u m e r e s u l t s i n a n i n c r e a s e i n t h e d o s a g e o f a i r - e n t r a i n i n g a g e n t r e q u i r e d f o r p r o d u c i n g a c e r t a i n e n t r a i n e d a i r c o n t e n t . 2 . S i l i c a f u m e t e n d s t o m a k e c o n c r e t e m i x t u r e s r a t h e r s t i c k y , a n d i n c r e a s e d w a t e r c o n t e n t a n d / o r t h e u s e o f w a t e r r e d u c i n g a g e n t s w o u l d b e n e c e s s a r y f o r m a i n t a i n i n g t h e c o n s i s t e n c y o f t h e m i x . 3 . S i l i c a f u m e , m a i n l y d u e t o i t s h i g h a f f i n i t y f o r w a t e r , l e a v e s l i t t l e f r e e w a t e r i n t h e m i x t u r e a n d r e d u c e s t h e b l e e d i n g o f c o n r e t e . T h i s r e d u c e s t h e s u p p l y o f w a t e r t o t h e s u r f a c e a n d r e q u i r e s a d o p t i o n o f c u r i n g p r o c e d u r e s w h i c h p r e v e n t e a r l y m o i s t u r e l o s s f r o m f r e s h l y p l a c e d c o n c r e t e i n o r d e r t o p r e v e n t p l a t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g . i L E n e d m e n t a L E m c i a m D i f f e r e n t s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s w i t h v a r i a b l e p e r c e n t a g s o f c e m e n t 4 5 3 s u b s t i t u t i o n w i t h fl y a s h o r s i l i c a f u m e w e r e m a n u f a c t u r e d , a n d t h e i r c h a r a c t e r i s t i c s i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s w e r e a s s e s s e d . T h e m i x e s w i t h fl y a s h h a d a w a t e r - b i n d e r ( c e m e n t + f l y a s h ) r a t i o o f 0 . 4 2 , a n d t h o s e w i t h s i l i c a f u m e h a d a w a t e r - b i n d e r ( c e m e n t + s i l i c a f u m e ) r a t i o o f 0 . 4 0 . T h e m i x e s w i t h f l y a s h i n c o r p o r a t e d 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s , w h i l e t h o s e w i t h s i l i c a f u m e h a d a f i b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 1 . 5 % . T h e f r a c t i o n s u b s t i t u t i o n s o f c e m e n t w i t h f l y a s h w e r e 0 % , 2 0 % , 3 0 % , a n d 4 0 % b y w e i g h t , w h i l e i n m i x e s w i t h s i l i c a f u m e 0 % , 5 % , 1 0 % a n d 2 0 % o f w e i g h t o f p o r t l a n d c e m e n t w e r e s u b s t i t u t e d b y s i l i c a f u m e . A l l m i x e s ( w i t h s i l i c a f u m e o r f l y a s h ) h a d a n a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o o f 4 . 0 , s a n d - g r a v e l r a t i o o f 1 . 0 , m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) , a n d a s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o f 0 . 0 1 5 b y w e i g h t . T h e s t e e l f i b e r s u s e d i n t h i s s t u d y w e r e s t r a i g h t - r o u n d a n d h a d a l e n g t h o f 2 i n ( 5 1 m m ) a n d a d i a m e t e r o f 0 . 0 3 5 i n ( 0 . 8 m m ) , a n d t h u s a n a s p e c t r a t i o o f 5 7 . T h e p o r t a l n d c e m e n t u s e d i n t h e m i x e s o f t h i s t u d y w a s t y p e I , a n d t h e s u p e r p l a s t i c i z e r w a s D a r a c e m 1 0 0 ( a N a p h t a l e n e - F o r m a l d a h y d e - s u l f o n a t e b a s e d h i g h - r a n g e w a t e r r e d u c e r c a p a b l e o f m a i n t a i n i n g i t s e f f e c t i v e n e s s o v e r a r e l a t i v e l y l o n g t i m e p e r i o d ) , 3 8 T h e f l y a s h i n c o r p o r a t e d i n t o t h e m i x e s w a s t y p e R ” a n d w a s o b t a i n e d f r o m t h e E c k e r t p l a n t o f t h e L a n s i n g B o a r d o f W a t e r a n d L i g h t . T h e m a j o r p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f fl y a s h a r e g i v e n i n T a b l e 5 . 1 . : 3 7 T h e 4 5 4 s i l i c a f u m e u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w a s a p r o d u c t o f E l k e m C h e m i c a l s , a n d i t s c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s a r e g i v e n i n T a b l e 5 . 2 . 6 1 T h e a g g r e g a t e s u s e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w e r e n a t u r a l r i v e r g r a v e l a n d s a n d . A r o t a r y d r u m m i x e r w a s u s e d f o r t h e m a n u f a c t u r e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h s i l i c a f u m e a n d f l y a s h . T h e s e q u e n c e o f t h e a d d i t i o n o f d i f f e r e n t m i x c o n s t i t u e n t s t o t h e m i x e r w a s s i m i l a r t o t h a t d e s c r i b e d i n S e c t i o n 2 . 3 o f C h a p t e r 2 . F o l l o w i n g m i x i n g , t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y w a s m e a s u r e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t i n g p r o c e d u r e . 9 A s h o r t e r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e i s r e p r e s e n t a t i v e o f b e t t e r w o r k a b i l i t y . F o r t h e f r e s h s t e e l f i b e r c o n c r e t e m i x t u r e s i n c o r p o r a t i n g f l y a s h , t h e a i r c o n t e n t w a s a l s o a s s e s s e d t h r o u g h t h e p r e s s u r e m e t h o d . 2 7 F o l l o w i n g t h e e x p e r i m e n t s o n f r e s h m i x , 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s f o r c o m p r e s s i o n t e s t , a n d 6 x 6 x 2 0 i n ( 1 5 0 x 1 5 0 x 5 0 0 m m ) p r i s m a t i c s p e c i m e n s f o r f l e x u r a l t e s t w e r e c a s t a n d c o m p a c t e d o n a v i b r a t i o n t a b l e . A l l t h e s p e c i m e n s w e r e d e m o d e d a f t e r 2 4 h o u r s , d u r i n g w h i c h t h e y w e r e k e p t u n d e r p l a s t i c s h e e t s . T h e f l y a s h c o n c r e t e s p e c i m e n s w e r e t h e n m o i s t c u r e d a t 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y a n d 7 2 ° F ( 2 3 ° C ) f o r s e v e n d a y s a n d w e r e t h e n c u r e d i n t h e r e g u l a r l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t . A t o t a l o f 6 c o m p r e s s i o n a n d 3 f l e x u r a l t e s t s p e c i m e n s w e r e c o n s t r u c t e d . T h e t h r e e f l e x u r a l s p c i m e n s a n d t w o o f t h e c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s w e r e t e s t e d a t a n a g e o f 2 8 d a y s . T w o o f t h e c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s w e r e t e s t e d a t a n a g e o f 1 d a y a n d t h e o t h e r t w o a t 7 d a y s . T h e s i l i c a f u m e c o n c r e t e 4 5 5 T a b l e 5 . 1 : C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e f l y a s h u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 3 7 1 i n a 2 5 . 4 m m a . C h e m i c a l C o m p o s i t i o n C o m p o n e n t $ 1 0 2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 T 1 0 2 C a O M g O K 2 0 C 8 b y w e i g h t 4 7 . 0 2 2 . 1 2 3 . 4 1 . 1 2 . 6 0 . 7 2 . 0 4 . 3 b . G r a d a t i o n s 3 0 # 2 0 0 3 3 2 5 S i e v e 0 . 6 m m 0 . 0 7 4 m m 0 . 0 4 5 m m 0 . 0 2 0 m m 0 . 0 1 0 m m 0 . 0 0 5 m m o r s i z e ( 6 0 0 m i c r o n s ) ( 7 4 m i c r o n s ) ( 4 5 m i c r o n s ) ( 2 0 m i c r o n s ) ( 1 0 m i c r o n s ) ( S m i c r o n s ) 8 p a s s i n g 1 0 0 9 2 8 4 6 3 3 6 1 7 c . S p e c i f i c G r a v i t y - 2 . 2 4 5 B S P A u p a v l e r e k c t r d e n a i i f c g i e l c e s P s i a S t u r S y r t m f a i - a l c 1 4 c l l e e e r - s 1 i t 5 2 z h / 0 e a £ 0 n - 0 . t , - 3 0 4 0 0 5 1 m z a 5 i z m c s 3 m r x / i g g c / r o n s n - o 3 n ( 1 0 - 4 . x 0 1 x 8 6 1 0 6 i n 1 1 0 n ' ) / n 2 - i 1 9 b 9 . 5 8 4 5 6 T a b l e 5 . 2 : C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s i l i c a f u m e u s e d i n t h e e x p e r i m e n t s . 6 1 a . C h e m i c a l C o m p o s i t i o n C o m p o n e n t 5 1 0 2 C F e 2 0 3 H 3 0 A 1 2 0 3 K 2 0 N 8 2 0 8 b y w e i g h t 9 6 . 5 0 1 . 4 0 0 . 2 0 0 . 1 5 0 . 0 4 0 . 2 0 b . P h y s i c a l P r o p e r t i e s S p e c i f i c g r a v i t y - 2 . 3 5 4 5 7 s p e c i m e n s ( 2 c o m p r e s s i o n s a n d 3 f l e x u r e ) w e r e a l l m o i s t c u r e d a f t e r d e m o l d i n g a t 7 2 ° F ( 2 3 ° C ) a n d 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e f l e x u r a l t e s t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g t h e f o u r p o i n t l o a d i n g p r o c e d u r e o f a s p a n 0 1 1 8 i n ( 4 5 0 m m ) a n d t h e l o a d - d e f l e c t i o n ( a t t h e l o a d p o i n t ) r e l a t i o n s h i p w a s m o n i t o r e d t h r o u g h o u t t h e t e s t . 2 7 I n c o m p r e s s i o n t e s t s p e r f o r m e d a t t h e a g e o f 2 8 d a y s , a l s o , t h e c o m p l e t e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s w e r e o b t a i n e d u s i n g a c o m p r e s s o m e t e r . 2 7 v 3 9 i L E a n e r i m e m a L B e s u l i s T h e r e s u l t s o f t e s t s o n t h e f r e s h m i x a n d h a r d e n e d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h d i f f e r e n t f l y a s h o r s i l i c a f u m e c o n t e n t s a r e d i s c u s s e d i n t h i s s e c t i o n . 5 . 4 . W T h e r e s u l t s o f i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c o r o p o r a t i n g f l y a s h a n d s i l i c a f u m e a r e s h o w n i n F i g u r e s 5 . 1 . 5 a n d 5 . 1 . b , r e s p e c t i v e l y , a s f u n c t i o n s o f t h e p o z z o l a n c o n t e n t . T h e s u b s t i t u t i o n o f i n c r e a s i n g f r a c t i o n s o f c e m e n t w i t h t y p e F f l y a s h i s o b s e r v e d i n F i g u r e 5 . 1 . 5 t o r e d u c e t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n d i c a t i n g i m p r o v e m e n t s i n t h e c o m p a c t i b i l i t y o f f r e s h m i x u n d e r v i b r a t i o n i n t h e p r e s e n c e o f f l y a s h . i t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t , e x c e p t f o r t h e m i x w i t h o u t fl y a s h , a l l t h e o t h e r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s w i t h 2 0 % t o 4 0 % fl y a s h - b i n d e r r a t i o h a v e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s w i t h i n t h e a c c e p t a b l e l i m i t o f 1 0 - 3 0 s e c . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , = 2 % ) 4 5 8 I n v e r t e d S l u m p 6 0 - C o n e T i m e ( S e c . ) 4 0 ‘ 2 0 ‘ F l y A s h C o n t e n t ( 8 ) I I I I O 2 0 3 0 4 0 I n v e r t e d S l u m p 6 0 - C o n e T i m e ( S e c . ) 4 0 ‘ 2 0 ‘ S i l i c a F u m e C o n t e n t ( 8 ) r r r I 0 5 1 0 2 0 b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V f = 1 . 5 % ) F i g u r e 5 . 1 : I n v e r t e d s l u m p C o n e t e s t r e s u l t s . 4 5 9 T h e s u b s t i t u t i o n o f p o r t l a n d c e m e n t w i t h s i l i c a f u m e u p t o 1 0 % b y w e i g h t i s o b s e r v e d i n F i g u r e 5 . 1 . b t o h a v e s m a l l e f f e c t s o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . H i g h e r s i l i c a f u m e c o n t e n t s , h o w e v e r , s t a r t t o d a m a g e w o r k a b i l i t y a n d t h e m i x w i t h 2 0 % s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o i s a c t u a l l y q u i t e u n w o r k a b l e . 5 . 4 . b E l g x u r a l fi g n a y i g r ; c o m p l e t e f e l x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s a r e s h o w n i n F i g u r e s 5 . 2 . a a n d 5 . 2 . b f o r m i x e s w i t h f l y a s h a n d s i l i c a f u m e , r e s p e c t i v e l y ( e a c h c u r v e r e p r e s e n t s t h e a v e r a g e o f 3 1 e s t r e s u l t s ) . F i g u r e s 5 3 3 a n d 5 . 3 . b s u m m a r i z e t h e t r e n d s o b s e r v e d i n F i g u r e 5 . 2 r e g a r d i n g t h e fl y a s h a n d s i l i c a f u m e e f f e c t s , r e s p e c t i v e l y , o n f l e x u r a l s t r e n g t h . T h e t r e n d s f o r f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y ( t h e a r e a u n d e r t h e l o a d - d e f l e c t i o n d i a g r a m u p t o a d e f l e c t i o n 5 . 5 t i m e s t h e c r a c k i n g d e f l e c t i o n ) a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 4 . T h e r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e s 5 . 2 . a a n d 5 . 3 . a i n d i c a t e t h a t t h e f l e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d s t o i m p r o v e w i t h i n c r e a s i n g f l y a s h c o n t e n t u p a f l y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h t e n d s t o b e a d v e r s e l y i n f l u e n c e d b y f u r t h e r i n c r e a s e i n f l y a s h c o n t e n t . T h e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s o b s e r v e d i n F i g u r e s 5 . 2 . 8 a n d 5 . 4 . a t o i n c r e a s e r a t h e r s u b s t a n t i a l l y a s f l y a s h c o n t e n t i n c r e a s e s f r o m 0 % t o 3 0 % , a n d t o d r o p a t h i g h e r f l y a s h c o n t r e n t s . F r o m F i g u r e s 5 . 2 . b a n d 5 . 3 . b , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o 1 0 % i m p r o v e s t h e fl e x u r a l s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u t t h i s t r e n d t e n d s t o b e r e v e r s e d f o r h i g h e r s i l i c a b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , = 1 . 5 % ) 4 6 0 L o a d ( K i p s ) 3 0 — 2 5 ‘ F l y A s h C o n t e n t ( 8 ) 2 0 - \ I , ‘ : ‘ H ' \ ’ . o o . . \ - ~ \ \ 3 o 1 5 . I . . . O . 0 . . - ‘ ~ \ \ ~ \ \ ‘ % ” 2 . 5 C ) ‘ 5 ‘ - l . - . 3 2 0 . 1 0 - 0 a : 5 - D e f l e c t i o n ( i n ) I I I i 1 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 a . F l y a s h c o n c r e t e ( V f = 2 % ) L o a d ( K i p s ) 3 0 - S i l i c a F u m e ‘ C o n t e n t ( 8 ) 2 5 - I ‘ ~ ~ ’ l \ ‘ ~ L 0 I ~ \ ~ 3 " . . . . O $ \ ‘ \ 2 0 . - ” . . _ . \ \ I : . ' a . . 1 : ‘ \ { : - . 1 5 ‘ 1 . : o ‘ 5 7 - 0 . l " % ' \ I . . . . . . t o . l 5 - D e f l e c t i o n ( i n ) I I I I 1 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 F i g u r e 5 . 2 : F l e x u r a l l o a d d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p . 4 . 5 K N . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V f = 2 % ) b F . l S i l e x u r i a c l a f s t u r m e c o n e n g t h t c e r e t s t r e e s ( u V l f t s a . 1 . 1 5 K % ) i p : - 4 . 5 K N . F i g u r e 5 . 3 : 4 6 1 U l t i m a t e F l e x u r a l b o a d ( K i p s ) 3 0 ‘ 2 0 " l F l y A s h C o n t e n t ( $ ) 1 0 I r I l I O 2 0 3 O 4 0 U l t i m a t e F l e x u r a l L o a d ( K i p s ) 3 0 " I 2 0 - S i l i c a F u m e c o n t e n t ( \ ) 1 0 s n ’ r ' I I ‘ _ ’ T O S 1 0 2 0 F i g u r e 5 . 4 : F l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . 1 K i p . i n = 1 1 4 N . m 4 6 2 E n e r g y ( K i p . i n ) 1 0 - 8 . 1 6 . . 4 . . . 2 - I I 1 1 - — — ~ 0 , 2 0 3 0 4 0 F l y A s h C o n t e n t ( t ) a . F l y a s h c o n c r e t e ( V f = 2 % ) E n e r g y ( K i p . i n ) 1 0 ‘ 8 d 6 d 4 - 2 4 , l I l I O S 1 0 2 O S i l i c a F u m e C o n t e n t ( \ ) b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V , . 1 . 5 % ) 5 . 4 . d W W W F o r t h e fl y a s h c o n c r e t e 4 6 3 f u m e c o n t e n t s . A s i m i l a r t r e n d i s o b s e r v e d i n t h e e f f e c t s o f s i l i c a f u m e o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a s s h o w n i n F i g u r e s 5 . 2 . b a n d 5 . 4 . b . 5 . 4 . c W T h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s , a n d t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s d e r i v e d f r o m t e s t r e s u l t s o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d fl y a s h a n d s i l i c a f u m e c o n c r e t e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 5 . 5 t h r o u g h 5 . 7 . T h e c o m p r e s s i o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y i s d e f i n e d a s t h e a r e a u n d e r n e a t h t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p u p t o a s t r a i n 5 . 5 t i m e s t h e s t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . T h e t e s t r e s u l t s o n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d f l y a s h c o n c r e t e p r e s e n t e d i n F i g u r e s 5 . 5 . a , 5 . 6 . a a n d 5 . 7 a i n d i c a t e t h a t a n i n c r e a s e i n f l y a s h - b i n d e r r a t i o u p t o 2 0 % i m p r o v e s t h e c o m p r e s s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , b u t t h i s t r e n d t e n d s t o b e r e v e r s e d f o r h i g h e r fl y a s h c o n t e n t s . T h e t r e n d s i n t h e e f f e c t s o f s i l i c a f u m e c o n t e n t o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r t e , s h o w n i n F i g u r e s 5 . 5 . b . 5 . 6 . b a n d 5 . 7 . b . i n d i c a t e t h a t t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o 1 0 % i m p r o v e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , a n d t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o f r o m 1 0 % t o 2 0 % h a s a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r . a . F l y a s h c o n c r e t e ( V f = 2 % ) b . S i F i g u r e 5 . 5 : C o m p r e s s i l v i c a e s f t u m r e s e s - c s o n c r e t r a i n t r e ( V f e l a t i o a n 1 . 5 % ) s h i p s . 1 K s i a 6 . 9 M P a . 4 6 4 C o m p r e s s i v e S t r e s s 8 - l ( K s i ) \ F l y A s h ‘ \ C o n t e n t ( t ) 4 - V ‘ E ' J o ‘ fi o 2 O 0 . . . . 4 0 I I , I I 2 4 6 8 S t r a i n C o m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) E } ° \ : S i l i c a F u m e \ Q ‘ C o n t e n t ( t ) ' 3 . \ ‘ . \ 1 ‘ e . \ . \ \ O O \ \ 2 4 6 8 S t r a i n ( 0 . 0 0 1 ) a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , = 2 % ) b . F i g u r e 5 . 6 : C o m p S r i l i e s c s a i f v u e m e c o s t r e n n g c t r h e t e ( t e s t V r f e - s u l 1 t . 5 % ) s . 1 K s i = 6 . 9 M P a 4 6 S ’ C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 9 - — ( K s i ) 8 - 1 7 . . 6 c — 5 I f I I 1 I 0 2 0 3 O 4 0 F l y A s h C o n t e n t ( t ) C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 9 - ( K s i ) 8 - 7 ‘ 5 . . 5 I 1 i i O S 1 0 2 0 s i l i c a F u m e C o n t e n t ( t ) a . F l y a s h c o n c r e t e ( V , = 2 % ) C o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s . 1 i n . 2 5 . 4 m m , 1 K i p . i n F i g u r e 5 . 7 : - 1 1 4 N . m 4 6 6 E n e r g y A b s c r t i o n l s , ( l b . i n / i n s o - 7 o . . s o - 5 0 " 4 o 3 0 l r “ I I a o 2 0 3 0 4 0 P 1 ? A s h C o n t e n t ( t ) E n e r g y A b s o r p t i o n ( l b . i n / i n ) s i l i c a F u m e C o n t e n t ( \ ) b . S i l i c a f u m e c o n c r e t e ( V f - 1 . 5 % ) 4 6 7 m i x t u r e s , t h e f r e s h m i x a i r c o n t e n t a n d t h e d e v e l o p m e n t o f h a r d e n e d m a t e r i a l s t r e n g t h w i t h t i m e w e r e a s s e s s e d . T h e s e t e s t s w e r e p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e p o s s i b i l i t y o f f l y a s h a d v e r s e l y i n f l u e n c i n g t h e s e a s p e c t s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . T h e o b s e r v e d t r e n d s i n f l y a s h e f f e c t s o n t h e a i r c o n t e n t o f f r e s h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 5 . 8 . O b v i o u s l y , t h e i n c r e a s e i n f l y a s h c o n t e n t l e a d s t o s o m e r e d u c t i o n o f t h e f r e s h m i x a i r c o n t e n t . T h i s e f f e c t i s , h o w e v e r , r e l a t i v e l y s m a l l a n d i t s e e m s t h a t t h e u s e o f a n a i r e n t r a i n i n g a g e n t c a n c o m p e n s a t e f o r t h i s e f f e c t o f f l y a s h . T h e t r e n d s i n t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w i t h t i m e f o r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c o r p o r a t i n g d i f f e r e n t f l y a s h c o n t e n t a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 9 . S t r e n g t h a t e a c h a g e h a s b e e n n o r m a l i z e d i n t h i s f i g u r e w i t h r e s p e c t t o t h e c o r r e s p o n d i n g s t r e n g t h o f t h e f i b r o u s m i x w i t h 0 % f l y a s h c o n t e n t . O n e m a y c o n c l u d e f r o m F i g u r e 5 . 9 t h a t t h e s u b s t i t u t i o n o f 2 0 % o f c e m e n t w i t h fl y a s h i n c r e a s e s t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a t a l l a g e s , w h e n ' c o m p a r e d w i t h t h e c o r r e s c n d i n g m i x w i t h o u t f l y a s h . W h e n 3 0 % o r 4 0 % o f c e m e n t i s s u b s t i t u t e d b y f l y a s h , h o w e v e r , t h e r e s e e m s t o b e a d r o p i n t h e r a t e o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t w i t h t i m e . T h e 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s w i t h d i f f e r e n t f l y a s h c o n t e n t s a r e , h o w e v e r , n o t m u c h i n f l u e n c e d b y t h e f l y a s h c o n t e n t . F i g u r e 5 . 8 : F l y a s h e f f e c t s o n a i r c o n t e n t o f f r e s h s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c F r i e g i u n r e f o r 5 c . e 9 d : F l y c o n c r a e s t h e e f f e c t s o n d e v e l o p m e n t o f s t r e n g t h w i t h t i m e o f s t e e l fi r b e t e e r 4 6 8 A i r C o n t e n t ( t ) . - 5 § \ 5 x 2 . x \ \ Q § Q \ x \ . O 0 . 2 O O O 0 . 3 0 F l y A s h - B i n d e r R a t i o ( v f - 2 % ) N o r m a l i z e d C o m p r e s s i v e S t r e n g t h 1 . 5 . . F l y A s h C o n t e n t ( 1 . ) . \ . 2 . 0 \ . 1 . 0 0 N — o . - _ . . - - — o * " ’ " " ‘ " " " " " " ' 1 " " . " " ' " ' T " " " " I . T : . ' . " ‘ 8 . / " ‘ ; ‘ r ” " ' 3 0 . r I . 0 a f ’ l ’ ' . o . ‘ 4 0 0 . 5 - I . I ‘ I 1 7 2 8 A g e ( G A y s ) 4 6 9 W T h e e f f e c t o f t h e s i l i c a f u m e a n d t h e c l a s s F f l y a s h c o n t e n t s o n t h e p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s w e r e i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y . F r o m t h e r e s u l t s i t w a s c o n c l u d e d t h a t : 5 . 5 . a W 1 . T h e c o m p a c t i b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a s i n d i c a t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s , i s n o t m u c h i n f l u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o a v a l u e o f a b o u t 0 . 1 0 . H i g h e r s i l i c a f u m e c o n t e n t s , h o w e v e r , a d v e r s e l y i n f l u e n c e t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x . 2 . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o a v a l u e o f a b o u t 0 . 1 0 ; b e y o n d w h i c h t h e e f f e c t s o f s i l i c a f u m e o n t h e s e a s p e c t s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l b e h a v i o r t e n d t o b e r e v e r s e d . 3 . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ' t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o s i l i c a f u m e r a t i o o f 0 . 1 0 . F u r t h e r i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 4 . f o r t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s u s e d i n t h i s s t u d y , s u b s t i t u t i o n o f 1 0 % o f c e m e n t w i t h s i l i c a f u m e g a v e t h e b e s t r e s u l t s a s f a r a s t h e w o r k a b i l i t y o f 4 7 0 f r e s h m i x a n d t h e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a p c i t y o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l u n d e r t h e a c t i o n o f f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e l o a d s a r e c o n c e r n e d . 5 . 5 - b E I L A S I L E E Q Q I S ; 5 . S u b s t i t u t i o n o f c e m e n t w i t h c l a s s F f l y a s h i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s o f t h i s s t u d y g e n e r a l l y h a d p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x a s r e p r e s e n t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e t e s t r e s u l t s . 6 . T h e 2 8 - d a y f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a p c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s o f t h i s s t u d y t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g fl y a s h - b i n d e r r a t i o u p t o a b o u t 0 . 3 . t h e i n c r e a s e i n f l y a s h - b i n d e r r a t i o f r o m 0 . 3 t o 0 . 4 , h o w e v e r , a d v e r s e l y i n f l u e n c e d t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 7 . S u b s t i t u t i o n o f u p t o 2 0 % o f c e m e n t w i t h f l y a s h i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s o f t h i s s t u d y r e s u l t e d i n i m p r o v e d 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l . H i g h e r f l y a s h c o n t e n t s , h o w e v e r , s t a r t t o h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e c h a r a c t e r i s t i c s . 8 . T h e i n c r e a s e i n f l y a s h c o n t e n t l e d t o s o m e r e d u c t i o n s i n t h e a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s . 9 . S u b s t i t u t i o n o f m o r e t h a n 2 0 % o f c e m e n t w i t h f l y a s h t r e n d s t o r e d u c e t h e r a t e 4 7 1 o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d e v e l o p m e n t i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A f t e r 2 8 - d a y s , h o w e v e r . t h e c o m p r e s i v e s t r e n g t h s o f m i x e s w i t h f l y a s h - b i n d e r r a t i o s a s h i g h a s 0 . 4 0 w e r e c l o s e t o t h a t o f t h e m i x w i t h 0 % f l y a s h c o n t e n t s . 1 0 . T h e o p t i m u m f l y a s h - b i n d e r r a t i o i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y , f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s w a s i n t h e r a n g e o f 0 . 2 0 t o 0 . 3 0 . F l y a s h s h o u l d b e a c c o m p a n i e d w i t h a n a i r e n t r a i n i n g a g e n t i n a p p l i c a t i o n t o s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c o n d i t i o n s w h e r e f r e e z e - t h a w d u r a b i i t y i s o f c o n c e r n . T h s u s e o f m o r e t h a n 2 0 % f l y a s h - b i n d e r r a t i o s l e a d t o a l o w e r r a t e s o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . C H A P T E R 6 T h e i n t r o d u c t i o n o f s t e e l fi b e r s t o c o n c r e t e a d d s a n u m b e r o f v a r i a b l e s t o t h o s e d e c i d i n g t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f p l a i n c o n c r e t e . T h i s f a c t o r t e n d s t o i n c r e a s e t h e v a r i a t i o n s i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s . O n t h e o t h e r h a n d , s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s l e s s s e n s i t i v e t h a n p l a i n c o n c r e t e t o e f f e c t s s u c h a s s h r i n k a g e a n d t h e r m a l c r a c k i n g w h i c h a r e s o m e s o u r c e s r e s p o n s i b l e f o r v a r i a t i o n s i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e . T h i s a c t i o n o f s t e e l f i b e r s t e n d s t o r e d u c e t h e v a r i a t i o n s i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e l o w t h o s e o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . T h e r e s e a r c h r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r i s c o n c e r n e d w i t h t h e e x p e r i m e n t a l a s s e s s m e n t s o f t h e v a r i a t i o n s i n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f h a r d e n e d m a t e r i a l o f t y p i c a l s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s . W m R e f e r e n c e 6 2 h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s i n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f a t y p i c a l s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x w i t h a d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y i n c o r p o r a t i n g 1 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s w i t h a l e n g t h c f 1 . 2 2 i n ( 3 1 m m ) a n d a d i a m e t e r o f 0 . 0 2 i n ( 0 . 5 m m ) . T h e r e s u l t s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 6 2 i n d i c a t e d t h a t t h e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n o f c o m p r e s s i v e a n d f l e x u r a l s t r e n g t h s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o m p a r e r e a s o n a b l y w i t h t h e t h e o r e t i c a l n o r m a l d i s t r i b u t i o n . B a s e d o n 3 6 fl e x u r a l 4 7 2 4 7 3 a n d c o m p r e s s i v e t e s t s r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 6 2 ( o n f i b r o u s c o n c r e t e s w i t h c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f 6 , 4 2 3 p s i a 4 4 . 3 N / m m 2 a n d m o d u l u s o f r u p t u r e o f 1 , 0 5 4 p s i - 7 . 2 7 N / m m 2 ) , t h e v a l u e s o f c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n w e r e f o u n d t o b e 4 . 7 % f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d 3 . 2 % f o r fl e x u r a l s t r e n g t h . T h e s e v a r i a t i o n s a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 6 2 f o r p l a i n c o n c r e t e m i x t u r e s . T h e s t a t i s t i c a l s t u d y o f R e f e r e n c e 6 2 h a s b e e n p e r f o r m e d o n o n e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x w i t h a h i g h l y d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y . T h e r e f o r e , m o r e t e s t r e s u l t s a r e n e e d e d t o f u l l y c h a r a c t e r i z e t h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . W T h e o b j e c t i v e o f t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s t o g e n e r a t e d a t a o n t h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s i n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d a l s o i n fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t y p i c a l s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s . T h e fi b r o u s m i x u s e d i n t h i s s t a t i s t i c a l i n v e s t i g a t i o n h a s 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f 2 i n ( 5 1 m m ) s t r a i g h t - r o u n d s t e e l fi b e r s w i t h a d i a m e t e r o f 0 . 0 3 5 i n ( 0 . 8 m m ) . T h e c o n c r e t e m a t r i c e s o f a l l t h e m i x t u r e s h a d a w a t e r - b i n d e r ( c e m e n t + fl y a s h ) r a t i o o f 0 . 4 0 , a fl y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 0 , a s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o f 0 . 0 1 5 , a n a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o o f 4 . 0 , a s a n d - t o - g r a v e l r a t i o o f 1 . 0 a n d a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) . T h e m a t e r i a l s u s e d f o r t h e e x p e r i m e n t a l p r o g r a m d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r a r e t h e s a m e a s d e s c r i b e d i n C h a p t e r 2 . 4 7 4 F o u r b a t c h e s o f t h e fi b r o u s m i x w e r e m a n u f a c t u r e d i n a r o t a r y d r u m m i x e r f o l l o w i n g t h e p r o c e d u r e p r e s e n t e d i n S e c t i o n 2 . 3 . T h e m a t e r i a l s o f e a c h b a t c h w e r e u s e d f o r o n e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t o n t h e f r e s h m i x ( t w o t e s t s w e r e p e r f o r m e d o n o n e o f t h e f r e s h m i x t u r e s ) , a n d f o r t h e m a n u f a c t u r e o f t h r e e p r e s m a t i c fl e x u r a l s p e c i m e n s a n d t w o c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s f o r c o m p r e s s i o n t e s t . T h e f l e x u r a l s p e c i m e n s w e r e 6 x 6 x 2 0 i n ( 1 5 0 x 1 5 0 x 5 0 0 m m ) a n d t h e c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s w e r e 6 i n ( 1 5 0 m m ) i n d i a m e t e r a n d 1 2 i n ( 3 0 0 m m ) h i g h . B o t h o f t h e c o m p r e s s i o n a n d t h e fl e x u r a l s p e c i m e n s w e r e c a s t i n t w o l a y e r s , a n d e a c h l a y e r w a s c o m p a c t e d o n a v i b r a t i o n t a b l e . T h e s p e c i m e n s w e r e k e p t u n d e r a p l a s t i c s h e e t i n s i d e t h e i r m o l d s f o r 2 4 h o u r s . T h e y w e r e t h e n d e m o l d e d a n d m o i s t c u r e d a t 7 2 ° F ( 2 2 ° C ) a n d 1 0 0 % r e l a t i v e h u m i d i t y f o r 7 d a y s , a n d t h e n w e r e a i r c u r e d i n r e g u l a r l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e f l e x u r a l t e s t s w e r e p e r f o r m e d f o l l o w i n g A S T M C - 1 0 1 8 ( 4 p o i n t l o a d i n g o n a s p a n o f 1 8 i n - 4 5 0 m m ) . B o t h o f t h e l o a d a n d l o a d - p o i n t d e fl e c t i o n w e r e m o n i t o r e d d u r i n g t h e t e s t . T h e c o m p r e s s i o n t e s t s w e r e p e r f o r m e d i n a c c o r d a n c e w i t h A S T M C - 4 6 9 , a n d a c o m p r e s s o m e t e r w a s u s e d t o o b t a i n t h e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s . W T e s t r e s u l t s o n t h e fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s c o n s i d e r e d a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 6 . 1 t o g e t h e r w i t h t h e m e a n s , s t a n d a r d d e v i a t i o n s a n d c o e f f i c i e n t s o f v a r i a t i o n o f t h e m e a s u r e m e n t s . F i g u r e s 6 . 1 t h r o u g h 6 . 3 p r e s e n t t h e e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( k . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 0 0 s 3 4 6 6 6 6 6 6 8 1 2 2 7 3 1 i 2 6 1 2 3 7 4 8 3 2 8 9 6 _ 1 7 0 0 ) 7 1 8 8 4 0 0 3 9 6 6 2 6 M S D C e t i o a a v e n n i f d a f a t i r i c d o i n e n t ( k s 6 6 6 6 6 6 7 7 6 0 0 . . . . . . . . . . . 0 1 2 4 5 7 0 0 5 3 0 8 0 6 8 0 0 1 8 3 8 5 i 6 6 7 2 0 9 5 0 1 2 8 ) 4 T i m e ( s e c ) 2 2 1 3 3 2 6 0 6 1 2 1 2 4 . . . 8 2 4 8 8 2 4 7 5 T a b l e 6 . 1 : E x p e r i m e n t a l r e s u l t s . 1 K s i - 6 . 9 M P a F l e x u r a l S t r e n g t h C b n p m e s s i v e S t r e n g t h I n v e r t e d S l u n c h b n e o f v a r i a t i o n 4 7 6 ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r t h e m e a s u r e d v a l u e s o f fl e x u r a l s t r e n g t h , c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e , r e s p e c t i v e l y . T h e c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h p r e s e n t e d i n T a b l e 6 . 1 ( 5 . 8 4 % ) i s c o m p a r a b l e t o t h a t r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 6 2 ( 4 . 7 % ) . T h e v a r i a t i o n s i n f l e x u r a l s t r e n g t h ( c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n = 1 7 . 6 % ) a r e , h o w e v e r , f a r g r e a t e r t h a n t h e 3 . 2 % c o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 6 2 . N o t i n g t h a t t h e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y a t 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l f i b e r s c o m p a r e d t o o n l y 1 % v o l u m e f r a c t i o n u s e d i n R e f e r e n c e 6 2 , i t m a y b e c o n c l u d e d ( w i t h c a u t i o n d u e t o t h e l i m i t e d n u m b e r o f t e s t r e s u l t s i n t h i s s t u d y ) t h a t t h e i n c r e a s e i n f i b e r v o l u m e f r a c t i o n t e n d s t o i n c r e a s e t h e v a r i a t i o n s i n f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . T h e f a c t t h a t t h e v a r i a t i o n s i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d o n o t s e e m t o s t r o n g l y d e p e n d o n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n m a y r e s u l t - f r o m t h e f a c t t h a t c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , u n l i k e fl e x u r a l s t r e n g t h , i s n o t m u c h d e p e n d e n t o n fi b e r v o l u m e f r a c t i o n . T a b l e 6 . 1 a l s o s h o w s r e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s ( c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n . 2 8 % ) i n t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s . A n i m p o r t a n t c o n c l u s i o n c a n b e d e r i v e d f r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n , a g a i n n o t i n g t h e l i m i t e d t e s t r e s u l t s w h i c h a r e u s e d h e r e , i s t h a t t h e v a r i t i o n s i n fl e x u r a l s t r e n g t h o b s e r v e d i n t h i s s t u d y e x c e e d t h e l i m i t s u s e d t o d e v e l o p t h e s t a t i s t i c a l q u a l i t y c o n t r o l c r i t e r i a f o r c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ( t h e r a g e i n c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n f r o m 1 7 . 5 t o 2 0 . 0 % r e p r e s e n t s f a i r t o p o o r v a r i a t i o n c o n d i t i o n s i n c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ) . 6 2 ' 6 4 T h i s i n d i c a t e s t h a t s o m e m o d i fi c a t i o n s m i g h t b e n e e d e d i n t h e s t a t i s t i c a l a s p e c t s o f t h e 4 7 7 7 / \ \ F l e m r a l S t r a t g t h ( k s i ) a . F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n F i g u r e 6 . 1 : E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K s i a 6 . 9 N / m m 2 ( u n u d a t i v e F r e q u e n c y F l a r u r a l S t r e n g t h 0 6 1 ) 2 . 0 - 4 1 . 5 — 1 . 0 . . 0 . 5 . . 0 . 0 i 4 7 8 b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n 4 7 9 2 . 0 — + “ ‘ 3 q u 0 . 0 a . F r e q u e n é y d i s t r i b u t i o n F i g u r e 6 . 2 : E x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l ( b a s e d o n n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . 1 K s i = 6 . 9 M P a 4 8 0 2 . 0 J ( h a m l e t i v e F r e q u e n c y 1 . 5 — 1 . 0 0 . 5 _ 0 . 0 C a n p r e s s i v e S t r e n g t h ( k s i ) b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n F f i r g e u q r u e e 6 . n c 3 y : a E n x d p e r i m e n t a l a n c u m u l a t i v e f r d e t h e q u e o n r c t e y i d c i a s l t ( i r b b a u s e t i o d n o n n s f o r o i r m a l d i s t n v e r t e d s r l i u b u t i m p o c ) n o n e t i m e 0 . 2 0 - + 0 . 1 5 . — F r e q u e n c y 4 8 1 l 1 0 f 2 0 3 0 4 o I n v e r t e d S l u ' n p C o n e T i m e ( s e c ) a . F r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n t e s t r e s u l t s . 4 8 2 2 . 0 - m m A l a t i v e F r e q u e n c y 1 . 5 . 1 1 . 0 . . 0 . 5 _ 0 . 0 T I 0 1 0 4 0 I n v e r t e d S l u n p C o n e T i m e ( s e c ) b . C u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n 4 8 3 q u a l i t y c o n t r o l p r o c e d u r e s f o r c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e w h e n a d o p t e d f o r s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( e s p e c i a l l y w i t h h i g h f i b e r v o l u m e f r a c t i o n ) . A l l t h i s d i s c u s s i o n i s m a d e b a s e d o n t h e f a c t t h a t f l e x u r a l s t r e n g t h i s a k e y p r o p e r t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( a s i s c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i n t h e c a s e o f c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e ) . T h e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l f r e q u e n c y a n d c u m u l a t i v e f r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s p r e s e n t e d i n F i g u r e s 6 . 1 t o 6 . 3 a r e i n d i c a t i v e t h a t t h e o b s e r v e d v a r i a t i o n s i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s f o l l o w , t o s o m e e x t e n t , t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n . A K o l m o g c r o v - S m i r n o v ( K . S . ) 6 5 s t a t i s t i c a l t e s t w a s p e r f o r m e d t o c h e c k t h e g o o d n e s s o f f i t o f t h e o b s e r v e d d i s t r i b u t i o n o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s t o t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n . T h e K . S . s t a t i s t i c a l t e s t r e p r e s e n t s t h e m a x i m i m d i v i a t i o n b e t w e e n t h e m e a s u r e d a n d t h e t h e o r e t i c a l c u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o n c u r v e s ( s e e F i g u r e s 6 . 1 . b , 6 . 2 . b a n d 6 . 3 . b ) . T h e m a x i m u m d e v i a t i o n s o b s e r v e d i n fl e x u r a l , c o m p r e s s i v e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s i n t h e K S . t e s t p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y w e r e 0 . 3 2 1 , 0 . 1 5 7 a n d 0 . 2 3 6 , r e s p e c t i v e l y . T h e s e m a x i m u m d e v i a t i o n s a p p r o v e t h e h y p o t h e s i s t h a t t h e v a r i a t i o n s i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s f o l l o w t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n a t a 1 0 % s i g n i fi c a n c e l e v e l . T h i s c o n c l u s i o n b a s e d o n t h e K S . t e s t , h o w e v e r , d o e s n o t a p p l y t o t h e fl e x u r a l t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s t e s t . F u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s a r e n e e d e d f o r d e t e r m i n i n g t h e e x a c t n a t u r e o f t h e f l e x u r a l s t r e n g t h d i s t r i b u t i o n i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ( t h e r e s u l t s o f R e f e r e n c e 6 2 a l s o s h o w e d t h a t t h e fi b r o u s c o n c r e t e fl e x u r a l t e s t r e s u l t s d i v i a t e m o r e t h a n t h e f i b r o u s c o n c r e t e c o m p r e s s i v e t e s t r e s u l t s f r o m t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n ) . 4 8 4 O b v i o u s l y , t h e n u m b e r o f t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n w e r e r a t h e r l i m i t e d a n d f u r t h e r s t u d i e s i n t h i s a r e a s e e m t o b e w a r r a n t e d . F i n a l l y , b a s e d o n t h e o b s e r v e d v a l u e s o f s t a n d a r d d i v i a t i o n s p r e s e n t e d i n T a b l e 6 . 1 f o r m i x e s f r o m d i f f e r e n t b a t c h e s , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f 3 0 t e s t s f r o m d i f f e r e n t b a t c h e s w i l l g i v e e s t i m a t e s o f t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s w h i c h , w i t h a p r o b a b i l i t y o f 1 % , d i v i a t e f r o m t h e m e a s u r e m e n t s b a s e d o n a l l u n i t s i n t h e l o t b y 1 6 0 p s i f o r f l e x u r a l s t r e n g t h , 1 7 9 p s i f o r c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d 3 . 2 4 s e c o n d s f o r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e i n t h e m i x t u r e o f t h i s s t u d y . 6 5 n l i n T h e r e s u l t s o f a s t a t i s t i c a l s t u d y o n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s , a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f a t y p i c a l s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x w i t h a r e l a t i v e l y h i g h f i b e r v o l u m e f r a c t i o n w e r e p r e s e n t e d . T h e l i m i t e d t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s s h o w e d v a r i a t i o n s s i m i l a r t o t h o s e e x p e c t e d i n p l a i n c o n c r e t e . 2 . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e t e s t r e s u l t s s h o w e d r e l a t i v e l y h i g h v a r i a t i o n s i n d i c a t i n g t h a t t h e s t a t i s t i c a l a s p e c t s o f t h e q u a l i t y c o n t r o l p r o c e d u r e s d e v e l o p e d f o r p l a i n c o n c r e t e m a y h a v e t o b e m o d i fi e d f o r a p p l i c a t i o n t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h r e l a t i v e l y h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s . 4 8 5 3 . T h e o b s e r v e d d i s t r i b u t i o n s o f c o m p r e s s i v e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s f o l l o w e d r a t h e r c l o s e l y t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n . T h i s c o n c l u s i o n , h o w e v e r , c o u l d n o t b e d e r i v e d f o r t h e f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . C H A P T E R 7 T h e r e a r e m a n y s i t u a t i o n s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s w h e r e l a r g e l o a d s a r e a p p l i e d t o l i m i t e d a r e a s o n t h e s u r f a c e o f a c o n c r e t e e l e m e n t . E x a m p l e s o f s u c h l o c a l i z e d b e a r i n g s t r e s s e s i n c l u d e : c o n c r e t e f o o t i n g s ( F i g u r e 7 . 1 . a ) , p o s t - t e n s i o n e d p r e s t r e s s e d m e m b e r s ( F i g u r e 7 . 1 . b ) , a n d c o l u m n s i n p r e c a s t c o n c r e t e s t r u c t u r e s ( F i g u r e 7 . 1 . c ) . C o n c r e t e , w h e n l o a d e d o n l y o n a l i m i t e d f r a c t i o n o f i t s a r e a b y b e a r i n g s t r e s s e s , i s c a p a b l e o f r e s i s t i n g s t r e s s e s i n e x c e s s o f i t s u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h . 6 6 ' 6 7 F a i l u r e i n c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s o c c u r s b y t h e p u n c h i n g o f a n i n v e r t e d c o n e o u t o f c o n c r e t e f r o m b e n e a t h t h e l o a d e d a r e a , w h i c h i s a c c o m p a n i e d b y t h e a p p e a r a n c e o f s p l i t t i n g c r a c k s a t t h e c o n c r e t e s u r f a c e ( F i g u r e 7 . 2 . a ) a n d t h e i r r a p i d p r o p a g a t i o n i n t o t h e c o n c r e t e d e p t h . 6 6 ' 7 4 T h i s p e n e t r a t i o n o f s p l i t c r a c k s , d e p e n d i n g o n t h e g e o m e t r i c a n d m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f t h e s p e c i m e n , m a y t a k e p l a c e e i t h e r v e r t i c a l l y t o w a r d s t h e b o t t o m o f t h e s p e c i m e n ( F i g u r e 7 . 2 . b ) , 6 6 ' 6 7 ' 6 9 o r i n a n i n c l u n e d f o r m ( F i g u r e 7 . 2 . c ) w i t h t h e c o n c r e t e c o n e t r y i n g t o t i l t o v e r p a r t o f t h e c o n c r e t e b l o c k f r o m t h e b o d y o f t h e s p e c i m e n . 6 8 ' 7 3 A t t h e u l t i m a t e b e a r i n g p r e s s u r e , w h e n s p l i t c r a c k i n g i n i t i a t e s , p a r t o f t h e r e s i s t a n c e a g a i n s t b e a r i n g l o a d i s p r o v i d e d b y t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a g a i n s t s p l i t c r a c k i n g i n d u c e s a p r e s s u r e o n t h e c o n c r e t e c o n e a n d m o b i l i z e s a f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e a g a i n s t t h e p u n c h i n g o f t h e c o n c r e t e c o n e u n d e r b e a r i n g 4 8 6 F i g u r e 7 . 1 : E x a m p l e s o f e l e m e n t s s u b j e c t e d t o b e a r i n g s t r e s s e s . 4 8 7 a . C o n c r e t e f o o t i n g \ \ \ \ U 1 . ) I ” I [ I I I ” ” b . P r e s t r e s s e d b e a m J k c . P r e c a s t e l e m e n t b . V e r t i c a l p e n e t F i g u r e 7 . 2 : F a i l u r e m o d e r o a t i o n o f c o n c r f e s p l t e i u t n c d r e a c k s r b e a r i n g s t r e s s e s . 4 8 8 l I D A D a . P u n c h i n g o u t o f c o n c r e t e c o n e 4 8 9 c . l n c l i n d p e n e t r a t i o n o f s p l i t c r a c k s d . M e c h a n i s m s r e s i s t i n g b e a r i n g s t r e s s e s 4 9 0 s t r e s s e s ( F i g u r e 7 . 2 . d ) . T h i s a d d s t o t h e u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h w h i c h c o n c r e t e i s c a p a b l e o f d e v e l o p i n g w i t h o u t t h e c o n fi n i n g a c t i o n p r o v i d e d b y t h e r e s i s t a n c e a g a i n s t s p l i t c r a c k i n g . I n o r d e r t o i m p r o v e t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s , c o n s i d e r i n g t h e f a i l u r e m o d e d e s c r i b e d i n F i g u r e 7 . 2 , e m p h a s i s s h o u l d b e m a d e o n i n c r e a s i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h , p o s t c r a c k i n g t e n s i l e r e s i s t a n c e a n d f r i c t i o n a l s h e a r s t r e n g t h o f c o n c r e t e . R e i n f o r c e m e n t b y s t e e l f i b e r s i s a n e f f e c t i v e t e c h n i q u e f o r a c h i e v i n g t h e s e o b j e c t i v e s . 4 ' 3 3 ' 3 6 ' 4 2 ' 7 5 ' 8 0 T h e r e s e a r c h p r o j e c t r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r h a s b e e n c o n c e r n e d w i t h t h e e f f e c t s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s w i t h d u e c o n s i d e r a t i o n g i v e n t o t h e b e a r i n g c o n d i t i o n s i n c o n c r e t e f o o t i n g s ( F i g u r e 7 . 1 . a ) . 1 2 . 3 m m R e f e r e n c e 6 6 h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f a n i n v e s t i g a t i o n a i m e d a t s t u d y i n g t h e e f f e c t s o f c o n fi n i n g r e i n f o r c e m e n t r e s i s t i n g s p l i t c r a c k i n g ( F i g u r e 7 . 3 . a ) o n t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . A s s h o w n i n F i g u r e 7 . 3 . b , i n t h e p r e s e n c e o f r e s t r a i n i n g s t e e l b a r s . c o n c r e t e i s c a p a b l e o f m a i n t a i n i n g i t s b e a r i n g r e s i s t a n c e a t l a r g e d e f o r m a t i o n s . T h i s i n d i c a t e s t h a t t h e r e i n f o r c i n g b a r s p r o v i d e t h e c o n c r e t e w i t h p o s t s p l i t c r a c k i n g t e n s i l e r e s i s t a n c e . T h e u l t i m a t e b e a r i n g s t r e n g t h , h o w e v e r , i s n o t m u c h i m p r o v e d b y t h e r e s t r a i n i n g b a r s . T h i s i n d i c a t e s _ t h a t , a t t h e i n i t i a t i o n o f f a i l u r e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s , t h e c o n fi n i n g a c t i o n o f r e i n f o r c i n g b a r s h a s n o t b e e n f u l l y m o b i l i z e d . L a r g e r d e f o r m a t i o n s s h o u l d o c c u r 4 9 1 I O A D R i g i d S t e e l ' P l a t e . 2 m 1 3 E i 8 1 1 4 R e s t r a i n i n g S t e e l B a r s ( 4 i n e a c h d i r e c t i o n ) 1 2 1 1 1 V e r t i c a l S e c t i o n 1 8 1 “ 3 . 5 1 m x P l a n V i e w a . R e s t r a i n i n g r e i n f o r c e m e n t B e a r i n g S t r e s s ( K s i ) 2 5 ‘ - I 2 0 " - l w i t h r e s t r a i n i n g s t e e l b a r s / \ \ 1 0 “ w i t h o u t r e s t r a i n i n g s t e e l b a r s 5 . 1 B e a r i n g d e f l e c t i o n I I I I ( i n ) 0 . 1 0 0 . 2 0 0 . 3 0 0 . 4 0 b . E f f e c t o f r e s t r a i n i n g r e i n f o r c e m e n t F i g u r e 7 . 3 : E f f e c t o f r e s t r a i n i n g s p l i t c r a c k s b y r e b a r s o n c o n c r e t e b e h a v i o r u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 4 9 2 b e f o r e f u l l a d v a n t a g e c a n b e t a k e n o f t h e r e s t r a i n i n g a c t i o n o f r e i n f o r c i n g b a r s . R e f e r e n c e 7 3 h a s r e p o r t e d t h e r e s u l t s o f b e a r i n g t e s t s o n r e l a t i v e l y s m a l l c y l i n d r i c a l s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s ( F i g u r e 7 . 4 . a ) . T h e f a i l u r e m o d e w a s a l w a y s b y p u n c h i n g o f a c o n c r e t e c o n e u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a a c c o m p a n i e d b y s p l i t c r a c k i n g ( F i g u r e 7 . 4 . b ) . T h e d i a m e t e r o f t h e s p e c i m e n s a n d t h e b e a r i n g a r e a s w e r e b o t h c o n s t a n t . T h e m a i n v a r i a b l e s i n t h e t e s t p r o g r a m o f R e f e r e n c e 7 3 w e r e t h e s p e c i m e n h e i g h t a n d t h e v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s . A s s h o w n i n F i g u r e 7 . 4 . c , t h e b e a r i n g s t r e n g t h t e n d s t o i n c r e a s e w i t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t a n d a l s o w i t h i n c r e a s i n g t h e d e p t h o f t e s t s p e c i m e n ( t h e i n c r e a s e i n b e a r i n g s t r e n g t h w i t h s p e c i m e n d e p t h t a k e s p l a c e a t a g r a d u a l l y d e c r e a s i n g r a t e ) . R e f e r e n c e 7 3 d o e s n o t p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e p o s s i b l e i m p r o v e m e n t s i n t h e d u c t i l i t y o f f a i l u r e r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t . M e a s u r e m e n t s m a d e o f s t r e s s e s a n d s t r a i n s i n b e a r i n g t e s t s o f R e f e r e n c e 7 3 i n d i c a t e d t h a t t e n s i l e s t r e s s e s w e r e h i g h e r n e a r t h e t o p s u r f a c e w h e r e t h e b e a r i n g s t r e s s e s a r e a p p l i e d , w h i l e t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s e s t e n d e d t o i n c r e a s e a t d e p t h s f u r t h e r a w a y f r o m t h e b e a r i n g s u r f a c e . T h i s c o u l d b e e x p e c t e d c o n s i d e r i n g t h e f a i l u r e m o d e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s ( F i g u r e 7 . 2 . d ) . w h e r e t h e i n d u c e d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e s s e s a r e m a x i m u m n e a r t h e b e a r i n g s u r f a c e , a n d t h e t r a n s f e r o f c o m p r e s s i v e s t r e s s e s f r o m t h e s m a l l b e a r i n g a r e a t o t h e c o m p l e t e c o r s s - s e c t i o n t a k e s p l a c e g r a d u a l l y a w a y f r o m t h e b e a r i n g a r e a . A n i m p o r t a n t fi n d i n g o f R e f e r e n c e 7 3 i s t h a t t h e m a x i m u m t e n s i l e s t r a i n s w e r e o f t h e o r d e r o f 1 3 0 0 m i c r o s t r a i n s i n p l a i n c o n c r e t e . T h i s v a l u e i s a p p r o x i m a t e l y 1 3 t i m e s t h e u s u a l v a l u e s m e a s u r e d f o r s p e c i m e n s t e s t e d i n d i r e c t 4 9 3 G i n 2 1 1 l a . T e s t s p e c i m e n b . F a i l u r e m o d e B e a r i n g S t r e n g t h / C c r t p r e s s i v e S t r e n g t h 6 I 8 I 1 0 ' I l o t a l H e i g h t 2 1 1 ( i n ) c . T e s t r e s u l t s F i g u r e 7 . 4 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s a n d t e s t r e s u l t s f r o m R e f e r e n c e 7 3 . 1 i n = 2 5 . 4 m m 4 9 4 t e n s i o n a n d r o u g h l y t w i c e t h e v a l u e s m e a s u r e d i n i n d i r e c t t e n s i o n . W W I I ! T h e m a i n o b j e c t i v e o f t h e t e s t p r o g r a m p e r f o r m e d i n t h i s s t u d y w a s t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t o f a t o p l a y e r i n c o n c r e t e f o o t i n g s o n t h e o v e r a l l f o o t i n g b e h a v i o r u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . A t o t a l o f f i v e s p e c i m e n s w e r e t e s t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . A l l o f t h e s e s p e c i m e n s w e r e d e s i g n e d t o e n s u r e t h a t b e a r i n g f a i l u r e p r e c e d e s t h e f l e x u r a l a n d s h e a r m o d e s o f f a i l u r e . F o r t h i s p u p o s e , s u f f i c i e n t r e i n f o r c e m e n t w a s p r o v i d e d a t t h e b o t t o m l a y e r t o r e s i s t t h e a p p l i e d f l e x u r a l f o r c e s , a n d t h e d e p t h w a s s e l e c t e d t o p r e v e n t p r e m a t u r e s h e a r f a i l u r e . T a b l e 7 . 1 a n d F i g u r e 7 . 5 i n t r o d u c e t h e b e a r i n g s p e c i m e n s t e s t e d i n t h i s s t u d y . A l l t h e s p e c i m e n s h a d a 1 6 x 1 6 i n ( 4 0 6 x 4 0 6 m m ) s q u a r e c r o s s - s e c t i o n w i t h a t o t a l h e i g h t o f 1 2 i n ( 3 0 5 m m ) . T h e y w e r e l o a d e d b y a 3 x 3 i n ( 7 6 x 7 6 m m ) s q u a r e r i g i d b e a r i n g p l a t e l o c a e d a t t h e c e n t e r o f t h e i r t o p s u r f a c e . S p e c i m e n N o . 1 ( F i g u r e 7 . 5 . a ) w a s b a s i c l l y p l a i n ( e x c e p t f o r t h e f l e x u r a l r e i n f o r c e m e n t ) . S p e c i m e n N o . 2 ( F i g u r e 7 . 5 . b ) w a s s i m i l a r t o s p e c i m e n N o . 1 e x c e p t t h a t f o u r # 3 ( 0 . 3 7 5 i n a 9 . 5 m m i n d i a m e t e r ) g r a d e 6 0 ( y i e l d s t r e n g t h a 6 0 K s i = 4 2 0 N / m m z ) v e r t i c a l d o w e l b a r s w e r e p l a c e d a t t h e f o u r c o m e r s o f t h e b e a r i n g p l a t e , a n d w e r e e x t e n d e d t o t h e b o t t o m o f t h e f o o t i n g w h e r e t h e y w e r e t e r m i n a t e d i n 9 0 ° h o o k s o n t h e t o p o f t h e f l e x u r a l r e i n f o r c e m e n t . S p e c i m e n N o . 3 ( F i g u r e 7 . 5 . 0 ) w a s s i m i l a r t o s p e c i m e n N o . 1 , b u t i t w a s r e i n f o r c e d t h r o u g h o u t i t s f u l l d e p t h w i t h 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t r a i g h t r o u n d s t e e l fi b e r s h a v i n g a n a s p e c t r a t i o o f 5 7 . S p e c i m e n N o . 4 ( F i g u r e 4 9 5 T a b l e 7 . 1 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s . 1 i n = 2 5 . 4 m m S p e c i m e n F i b e r R e i n f o r c e m e n t D o w e l B a r e V o l u m e D e p t h F r a c t i o n 1 . . . . . . . . . . . . . . . 2 - - - - - - - - - - 4 N o . 3 3 2 ‘ 1 2 1 a . . . . . a 2 3 r a t “ . . . . . 5 2 8 b i n 4 N o 3 F i g u r e 7 . 5 : B e a r i n g t e s t s p e c i m e n s . 1 i n = 2 5 . 4 m m 4 1 6 i n 9 6 3 i n 3 i h 1 6 i n 1 2 i n — — — - N o . 4 G r a d e 6 0 @ 3 i n ( 7 6 m m ) r o e — . 4 5 ” a . S p e c i m e n N o . 1 1 6 i n 3 i n 3 i n 1 6 i n 1 2 i n - — - 4 N o . 3 G r a d e 6 0 _ _ _ . N o . 4 G r a d e 6 0 9 3 i n ( 7 6 m m ) b . S p e c i m e n N o . 2 1 2 i n l Z i n 4 9 7 1 6 i n - — — - N o . 4 G r a d e 6 0 Q B i n ( 7 6 m ) 1 6 i n f > - i / ’ L " . I I " ~ \ \ \ I \ ‘ l \ ~ ~ I s l _ ‘ - / > ; " ' 4 i n " " N ° . 4 G r a d e s o M , G B i n ( 7 6 m m ) d - S P G C i m e n N o . 4 1 2 4 N o . 3 G r a d e 6 0 4 9 8 ' " \ \ . N \ ( I F / i s ? ” 1 6 i n 1 n ‘ l , ’ I ? / ~ I \ / 2 ‘ 4 i n N o . 4 G r a d e 6 0 @ 3 i n ( 7 6 m m ) e . S p e c i m e n N o . 5 4 9 9 7 . 5 . d ) w a s a l s o s i m i l a r t o s p e c i m e n N o . 1 e x c e p t t h a t i t w a s r e i n f o r c e d w i t h 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f t h e s a m e s t e e l f i b e r s o f s p e c i m e n N o . 3 o n l y t h r o u g h 4 i n o f i t s d e p t h a t t h e t o p s u r f a c e u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a . S p e c i m e n N o . 5 ( F i g u r e 7 . 5 . e ) w a s s i m i l a r t o s p e c i m e n N o . 4 , b u t h a d f o u r # 3 g r a d e 6 0 v e r t i c a l d o w e l b a r s a t t h e c o r n e r s o f t h e b e a r i n g p l a t e . T h e p l a i n c o n c r e t e u s e d i n t e s t s p e c i m e n s h a d a w a t e r - b i n d e r ( p o r t l a n d c e m e n t + f l y a s h ) r a t i o o f 0 . 4 5 b y w e i g h t , f l y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 , s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o f 0 . 0 1 5 a n d a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o o f 4 . 0 . T h e f i n e - t o - c o a r s e a g g r e g a t e r a t i o w a s 1 . 0 a n d t h e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e w a s 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) . T h e f i b r o u s m i x e s h a d a c o n c r e t e m a t r i x s i m i l a r t o t h e p l a i n o n e . T y p e I o r d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t a n d a n d a c l a s s F f l y a s h ( s e e T a b l e 2 . 1 i n S e c t i o n 2 . 3 o f C h a p t e r 2 f o r t h e f l y a s h p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s ) 3 7 w e r e u s e d , a n d t h e s u p e r p l a s t i c i z e r w a s D a r a c e m 1 0 0 p r o d u c e d b y W . R . G r a c e a n d C o m p a n y } 3 8 N a t u r a l r i v e r a g g r e g a t e s w e r e u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f t e s t s p e c i m e n s . T h e s t e e l f i b e r s u s e d i n t h i s s t u d y h a d a d i a m e t e r o f 0 . 0 3 5 ( 0 . 8 9 m m ) a n d a l e n g t h o f 2 i n . ( 5 0 . 8 m m ) . A l l t h e s t e e l b a r s w e r e g r a d e 6 0 . T h e p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e h a d a v e r a g e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f 5 , 5 2 0 p s i ( 3 8 . 5 M P a ) a n d 5 , 6 5 0 p s i ( 3 9 . 8 M P a ) , r e s p e c t i v e l y . t h e c o m p l e t e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n a n d f l e x u r a l l o a d o d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s o f t h e p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 7 . 6 . a a n d 7 . 6 . b . T h e c o m p r e s s i o n s t r e s s - s t r a i n 5 0 0 r e l a t i o n s h i p s w e r e o b t a i n e d f r o m t e s t i n g 6 x 1 2 i n ( 1 5 2 x 3 0 5 m m ) s t a n d a r d c y l i n d r i c a l s p e c i m e n s , a n d t h e f l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e s w e r e p r o d u c e d i n f o u r - p o i n t l o a d i n g t e s t s o n p r i s m a t i c s p e c i m e n s w i t h a 6 x 6 i n ( 1 5 2 x 1 5 2 m m ) c r o s s - s e c t i o n a n d a s p a n o f 1 8 i n ( 4 5 7 m m ) . I n F i g u r e 7 . 6 . c , t h e d i r e c t t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f t h e p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e s o f t h i s s t u d y a r e d e r i v e d b a s e d o n t h e fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e l o a d - d e f o r m a t i o n c u r v e s ( u s i n g a m e t h o d i n t r o d u c e d b y R e f e r e n c e 8 1 ) . T h e i m p r o v e m e n t s i n c o m p r e s s i v e , t e n s i l e a n d f l e x u r a l d u c t i l i t i e s a s w e l l a s f l e x u r a l a n d t e n s i l e s t r e n g t h s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t a r e o b v i o u s i n F i g u r e 7 . 6 . T h e f i v e b e a r i n g s p e c i m e n s w e r e c a s t i n w o o d e n f o r m s a n d w e r e v i b r a t e d e x t e r n a l l y o n a v i b r a t i n g t a b l e . T h e s p e c i m e n s w e r e m o i s t - c u r e d i n s i d e t h e i r f o r m s f o r s e v e n d a y s , b e f o r e b e i n g d e m o l d e d a n d e x p o s e d t o t h e r e g u l a r l a b o r a t o r y e n v i r o n m e n t u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d u s i n g a h y d r a u l i c c o m p r e s s i o n t e s t m a c h i n e , , w i t h t h e l o a d i n g a p p l i e d a t a q u a s i - s t a t i c r a t e . D u r i n g t h e t e s t , t h e s p e c i m e n s w e r e s u p p o r t e d o n a 1 / 4 i n w o o d e n b a s e w h i c h w a s p l a c e d o n a r i g i d s t e e l p l a t e ( F i g u r e 7 . 7 ) . T w o e l e c t r i c a l d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s w e r e u s e d t o m e a s u r e t h e p e n e t r a t i o n o f t h e r i g i d b e a r i n g p l a t e i n t o c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s a s s h o w n i n F i g u r e 7 . 8 . T h e t r a n s d u c e r s h a d a m a x i m u m e r r o r e q u a l t o 0 . 4 % o f t h e m e a s u r e d v a l u e . a . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s 5 0 1 S t r e s s ( K s i ) 6 — 4 — i F i b r o u s p l a i n I 1 s t r a i n ( 1 0 - 3 ) F i g u r e 7 . 6 : P l a i n a n d f i b r o u s c o n c r e t e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 M P a , 1 K i p = 4 . 5 K N . u - . c . T e n s i l e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s 5 0 2 L o a d ( K i p s ) 1 5 " l 1 0 ' “ I 5 - f i b r o u s p l a i n I l D e f l e c t i o n . 1 2 ( i n ) b . F l e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s S t r e s s ( p s i ) f i b r o u s T — ' i t r a i n . ( 1 0 - 3 ) . 9 5 0 3 F i g u r e 7 . 7 : T e s t s p e c i m e n u n d e r l o a d 5 0 4 { r m - \ \ \ 0 ' K \ \ “ ' 0 D i s p l a c e m e n t , \ \ T r a n s d u c e r D i s p l a c e m e n t T r a n s d u c e r P l y w o o d / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / R i g i d B a s e p l a t e F i g u r e 7 . 8 : T e s t s e t - u p a n d i n s t r u m e n t a t i o n 5 0 5 M W : F a i l u r e i n t h e p l a i n a n d f i b r o u s s p e c i m e n s o c c u r e d , a s e x p e c t e d , b y p u n c h i n g o f a c o n c r e t e c o n e u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a i n t o t h e s p e c i m e n , l e a d i n g t o t h e a p p e a r a n c e o f s p l i t t i n g c r a c k s a t t h e t o p s u r f a c e w h i c h p e n e t r a t e d i n t o t h e s p e c i m e n ' s d e p t h w i t h c o n t i n u e d l o a d i n g . T y p i c a l c r a c k c o n fi g u r t i c n s a t t h e t o p s u r f a c e o f t h e p l a i n a n d f i b r o u s ( f u l l o r p a r t i a l d e p t h ) s p e c i m e n s a r e s h o w n i n F i g u r e s 7 . 9 . a a n d 7 . 9 . b , r e s p e c t i v e l y . T h e s p l i t t i n g c r a c k s a t t h e t o p s u r f a c e o f p l a i n c o n c r e t e s p e c i m e n s ( F i g u r e 7 . 9 . a ) w e r e i n c l i n e d a n d p r a c t i c a l l y d i v i d e d t h e t o p o f t h e c o n c r e t e b l o c k i n t o f o u r s e g m e n t s . T h e s e s p l i t t i n g c r a c k s p e n e t r a t e d i n t o t h e s p e c i m e n ' s d e p t h r a t h e r s m o o t h l y w i t h o u t m u c h b r a n c h i n g , a n d l e d t o a r e l a t i v e l y b r i t t l e m o d e o f f a i l u r e . I n t h e c a s e o f s p e c i m e n s r e i n f o r c e d w i t h fi b e r s t h r o u g h o u t t h e i r f u l l o r p a r t i a l d e p t h , t h e s p l i t t i n g c r a c k s a t t h e t o p s u r f a c e w e r e a l m o s t p a r a l l e l t o o n e o f t h e s p e c i m e n ' s s i d e s , a n d t h e y t e n d e d t o d i v i d e t h e t o p o f t h e c o n c r e t e b l o c k i n t o t w o h a l v e s ( F i g u r e 7 . 9 . b ) . T h e p e n e t r a t i o n o f t h e s e s p l i t t i n g c r a c k s i n t o t h e c o n c r e t e d e p t h i n v o l v e d b r a n c h i n g o f t h e c r a c k s a n d w a s r a t h e r s l o w . T h e f a i l u r e o f a l l t h e f i b r o u s s p e c i m e n s t o o k p l a c e i n a d u c t i l e m a n n e r . F i g u r e 7 . 1 0 . a p r e s e n t s t h e b e a r i n g s t r e s s - d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s o b t a i n e d i n t e s t s o n p l a i n s p e c i m e n s w i t h a n d w i t h o u t v e r t i c a l d o w e l b a r s ( s p e c i m e n s 1 a n d 2 , r e s p e c t i v e l y , o f T a b l e 7 . 1 ) . T h e b e a r i n g s t r e s s - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p s o f d i f f e r e n t fi b r o u s s p e c i m e n s ( s p e c i m e n s 3 , 4 , a n d 5 o f T a b l e 7 . 1 ) a r e g i v e n i n F i g u r e 7 . 1 0 . b . F r o m F i g u r e 7 . 1 0 . a i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e v e r t i c a l d o w e l b a r s h a v e a r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t o n t h e o v e r a l l b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g 5 0 6 3 . P l a i n c o n c r e t e b . F i b r o u s r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( f u l l o r p a r t i a l d e p t h ) F i g u r e 7 . 9 : T y p i c a l c r a c k c o n fi g u r a t i o n i n p l a i n a n d fi b r o u s s p e c i m e n s . F i g u r e 7 . 1 0 : E x p e r i m e n t a l b e a r i n g s t r e s s - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n = 2 5 . 4 5 0 7 B e a r i n g S t r e s s ( K s i ) 3 0 - 2 0 . \ S p e c i m e n 2 I \ \ I < — _ V e r t i c a l D o w e l s S p e c i m e n 1 ' p l a i n 1 0 ‘ ‘ ‘ ~ — - ~ B e a r i n g D e f l e c t i o n I I 5 I l ( i n ) ' 2 ' 4 . 6 . 8 1 . 0 a . P l a i n s p e c i m e n s B e a r i n g S t r e s s ( K s i ) 3 0 " l ’ . - - " \ ” . \ o \ S p e c i m e n 5 ' - ~ 1 / 3 - D e p t h S F R C & V e r t i c a l D o w 1 - . 7 “ E r f _ _ _ - e s e “ ‘ N - . I \ \ , \ 2 0 “ ‘ \ e . ~ . . e — — — — — ‘ \ \ \ . . . L A ? . ‘ l / B - D e p t h s p a c S p e C i m e n 3 1 0 ‘ h i l l - D e p t h s m c B e a r i n g ? 2 3 4 . g O ( ” — 1 1 ' 0 D e f l e c t i o n ( i n ) b . F i b r o u s s p e c i m e n s m m . 1 K s i . 6 . 9 M P a . 5 0 8 s t r e s s e s . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h t h e f i n d i n g s o f R e f e r e n c e 6 6 . F r o m t h e l i m i t e d t e s t r e s u l t s p r e s e n t e d i n F i g u r e 7 . 1 0 . b , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t t h e c o n c r e t e s p e c i m e n s w i t h f i b e r r e i n f o r c e m e n t p r o v i d e d a t o n l y 1 / 3 o f t h e i r d e p t h u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a p e r f o r m e d v e r y s i m i l a r l y t o t h e o n e . w i t h f u l l - d e p t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t . D o w e l b a r s a l s o s e e m t o b e m o r e e f f e c t i v e i n i m p r o v i n g t h e b e h a v i o r o f f i b r o u s c o n c r e t e , c o m p a r e d t o p l a i n c o n c r e t e , u n d e r t h e a c t i o n o f b e a r i n g s t r e s s e s . F i g u r e s 7 . 1 1 . a a n d 7 . 1 1 . b p r e s e n t n o r m a l i z e d b e a r i n g s t r e s s - d e fl e c t i o n r e l a t i o n s h i p s f o r p l a i n a n d f i b r o u s s p e c i m e n s w i t h a n d w i t h o u t d o w e l b a r s , r e s p e c t i v e l y . T h e n o r m a l i z a t i o n o f b e a r i n g s t r e s s e s i n t h e s e fi g u r e s h a s b e e n m a d e w i t h r e s p e c t t o t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ( o r f i b r o u s c o n c r e t e ) . F i g u r e s 7 . 1 1 a a n d 7 . 1 1 . b c l e a r l y d e m o n s t r a t e t h e e f f e c t s o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . F i g u r e 7 . 1 1 . a i n d i c a t e s t h a t f u l l - d e p t h o r p a r t i a l o d e p t h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t r e s u l t i n a n i n c r e a s e i n t h e u l t i m a t e b e a r i n g s t r e n g t h ( a l s o r e p o r t e d b y R e f e r e n c e 7 3 ) a n d a s i g n i fi c a n t i m p r o v e m e n t o f t h e p o s t - p e a k d u c t i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r t h e a c t i o n o f b e a r i n g s t r e s s e s . T h e m o r e e c o n o m i c a l m e t h o d o f p a r t i a l - d e p t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t s e e m s t o b e a n e f f i c i e n t a p p r o a c h t o t h e i m p r o v e m e n t o f t h e b e a r i n g p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e . T h e s p e c i m e n w i t h f u l l - d e p t h f i b e r r e i n f o r c e m e n t a c t u a l l y w a s s l i g h t l y i n f e r i o r t o t h e o n e w i t h o n l y a t o p l a y e r o f fi b r o u s c o n c r e t e , p o s s i b l y d u e t o t h e s e t t l e m e n t o f fi b e r s t o t h e b o t t o m o f s p e c i m e n u n d e r v i b r a t i o n w h e n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w a s c o s t i n f u l l - d e p t h . F i g u r e 7 . 1 1 , b a s e d o n l i m i t e d r e s u l t s , b . W i t h d F i g u r e 7 . 1 1 : N o r m a l i z e d b e a r i n g s t r e s o s w e v s l . b b a e r s a r i n g d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s . 1 i n 5 0 9 B e a r i n g 7 5 t r e s s C o m p r e s s i v e S t r e n g t h O f \ - 4 - ’ . \ S p e c i m e n 4 l ' \ 1 / 3 - D e p t h s r a c ‘ . \ O - . \ . _ / . - — . - ; . — . e \ . \ u ) ' - ‘ - . — a ’ ~ ' - Q _ ! ~ _ — - § \ . \ 2 - 0 I S p e c i m e g 3 / § F u l l - D e p t h S F R C p e c i m e n 1 P l a i n B e a r i n g D e f l e c t i o n i ’ I 1 ’ V T . 2 . 4 . 6 . e 1 o ( i n ) a . W i t h o u t d o w e l b a r s B e a r i n g S t r e s s / C o m p r e s s i v e S t r e n g t h f \ I \ \ ‘ I - \ ~ \ \ . . ~ S p e c i m e n S l / 3 - D e p t h S F R C 2 c - S p e c i m e n 2 P l a i n B e a r i n g D e f l e c t i o n ( i n ) = 2 5 . 4 m m . 5 1 0 i s a n i n d i c a t i o n o f t h e i n c r e a s e i n t h e e f f e c t i v e n e s s o f d o w e l b a r s u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . T h i s c o u l d b e a t t r i b u t e d t o t h e b e t t e r c o n f i n e m e n t o f d o w e l b a r s b y f i b r o u s c o n c r e t e w h i c h i s c a p a b l e o f p r o v i d i n g l a t e r a l s u p p o r t a g a i n s t b u c k l i n g o f t h e b a r s ( R e f e r e n c e 7 9 h a s s h o w n t h a t s t e e l f i b e r s p r e v e n t b u c k l i n g o f c o m p r e s s i o n s t e e l b a r s i n b e a m s ) . Z 5 D ' . [ B ! | T h e b e a r i n g t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y a r e u s e d i n t h e s e c t i o n t o v e r i f y t h e t h e o r y p r e s e n t e d i n R e f e r e n c e 6 7 f o r p r e d i c t i n g t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f p l a i n c o n c r e t e , a n d a l s o t o c h e c k t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h i s t h e o r y t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e t h e o r y o f R e f e r e n c e 6 7 i s b a s e d o n t h e f a i l u r e m o d e d e s c r i b e d i n F i g u r e 7 . 1 2 , n o t i n g t h a t t h i s m o d e l c l o s e l y s i m u l a t e s t h e a c t u a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . E q u i l i b r i u m c o n d i t i o n s r e q u i r e t h a t t h e e d g e s o f t h e c o n c r e t e c o n e p u n c h i n g i n t o t h e b o d y o f t h e s p e c i m e n u n d e r t h e b e a r i n g a r e a s h o u l d b e i n c l i n e d a t a n a n g l e o f 4 5 - 6 / 2 f r o m t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n ( F i g u r e 7 . 1 2 . b ) ; w h e r e o i s t h e a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n o f c o n c r e t e . R e f e r e n c e 6 7 s u g g e s t s a v a l u e o f 5 0 ° f o r q ; i n p l a i n c o n c r e t e w i t h 3 / 4 i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e . I n t h i s m o d e l , t h e p u n c h i n g o u t o f t h e c o n c r e t e i s s u g g e s t e d t o g e n e r a t e a n i n t e r n a l p r e s s u r e a g a i n s t t h e b o d y o f t h e s p e c i m e n ( F i g u r e 7 . 1 2 . c ) w h i c h t e n d s t o p r o d u c e s p l i t t i n g c r a c k s i n t h e s p e c i m e n . T h e u l t i m a t e b e a r i n g s t r e s s , a c c o r d i n g t o R e f e r e n c e 6 7 , i s r e a c h e d w h e n t h i s i n t e r n a l p r e s s u r e r e a c h e s a l e v e l s u f fi c i e n t f o r o v e r c o m i n g t h e t e n s i l e r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e b l o c k a t t h e t o p s u r f a c e a n d i n i t i a t i n g t h e s p l i t t i n g c r a c k s . B a s e d o n t h i s f a i l u r e m o d e , R e f e r e n c e 6 7 h a s d e r i v e d t h e f o l l o w i n g 5 : j r L - ! L V I . c . l n t e m a l p r e s s s u r e c a u s i n g s p l i t t i n g 5 1 1 a . P l a n 0 - 4 5 - 9 1 / 2 0 S e c t i o n A - A V F i g u r e 7 . 1 2 : F a i l u r e m o d e l o f R e f e r e n c e 6 7 . r b e f c + 1 , 0 0 1 2 ( 4 5 - N 2 ) ( fi ; ; A 1 | - 1 ) ( 7 . 1 ) 5 1 2 e x p r e s s i o n f o r p r e d i c t i n g t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e i n t e r m s o f i t s s t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a n d t h e c o e f f i c i e n t o f i n t e r n a l f r i c t i o n : w h e r e : f b = c o n c r e t e b e a r i n g s t r e n g t h ; f c = c o n c r e t e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ; f t = c o n c r e t e t e n s i l e s t r e n g t h ; 6 = a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n ; A 2 = m a x i m u m a r e a o f t h e s u p p o r t i n g s u r f a c e t h a t i s g e o m e t r i c a l l y s i m i l a r t o a n d a l s o c o n c e n t r i c w i t h t h e l o a d e d a r e a ; a n d A 1 = l o a d e d a r e a . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , R e f e r e n c e 6 7 s u g g e s t s a v a l u e o f 5 0 ° f o r t h e a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n f o r p l a i n c o n c r e t e w i t h 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) m o x i m u m a g g r e g a t e s i z e . A v a l u e o f 4 7 ° , f o r t h e a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n o f t h e fi b r o u s c o n c r e t e m i x o f t h i s s t u d y , p r o d u c e s t h e b e s t fi t b e t w e e n t h e t e s t r e s u l t s a n d t h e p r e d i c t i o n o f E q u a t i o n 7 . 1 . C o n s i s t e n t w i t h t h e o b s e r v e d b e h a v i o r a n d t h e g e n e r a t e d t e s t r e s u l t s , t h e s p e c i m e n s w i t h f u l l a n d p a r t i a l d e p t h o f fi b r o u s c o n c r e t e w e r e t r e a t e d s i m i l a r l y ( a s s u m i n g t h a t , i n b o t h c a s e s , t h e b e a r i n g b e h a v i o r i s f u l l y g o v e r n e d b y t h e fi b e r r e i n f o r c e d 5 1 3 c o n c r e t e r e s p o n s e ) , a n d i t w a s a s s u m e d t h a t t h e d o w e l b a r s c a n p r o v i d e t h e f i b r o u s s p e c i m e n w i t h t h e i r f u l l y i e l d s t r e n g t h a t t h e p e a k b e a r i n g l o a d . H e n c e , t h e c o n t r i b u t i o n o f c o n c r e t e t o t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f t h e f i b r o u s s p e c i m e n w i t h d o w e l b a r s w a s a s s u m e d t o b e t h e p e a k l o a d m i n u s t h e y i e l d s t r e n g t h o f d o w e l b a r s . R e f e r e n c e 6 9 h a s u s e d t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n f o r t h e a n g l e o f l n t e m a l f r i c t i o n o f c o n c r e t e ( i n t e r m s o f t h e r a t i o o f t e n s i l e t o c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f t h e m a t e r i a l ) : o = a r c s i n ( 1 - 2 f t / f c ) ( 7 . 2 ) V a l u e s o f 4 8 ° a n d 5 5 ° c a n b e o b t a i n e d f o r t h e a n g l e s o f i n t e r n a l f r i c t i o n f o r t h e f i b r o u s a n d p l a i n c o n c r e t e s o f t h i s s t u d y , r e s p e c t i v e l y , b y a p p l y i n g E q u a t i o n 7 . 2 . T h i s e q u a t i o n p r o v i d e s g o o d e s t i m a t e f o r f i b r o u s c o n c r e t e ; h o w e v e r , i t c a n b e m i s l e a d i n g i f u s e d f o r p l a i n c o n c r e t e . T a b l e 7 . 2 p r o v i d e s a c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e b e a r i n g t e s t r e s u l t s a n d t h e p r e d i c t i o n s o f R e f e r e n c e 6 7 ( w i t h o = 5 0 ° f o r p l a i n c o n c r e t e a n d o = 4 7 ° f o r fi b r o u s c o n c r e t e ) . T h e A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e D e s i g n C o d e 3 1 8 - 8 3 ( R e f e r e n c e 6 4 ) s u g g e s t s t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n f o r t h e b e a i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e : T a b l e 7 . 2 : C o m p a r i s o n o f t e s t r e s u l t s w i t h t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n s o f b e a r i n g 5 1 4 s t r e n g t h S p e c i m e n B e a r i n g S t r e n g t h / C o m p r e s s i v e S t r e n g t h T e s t R e s u l t s E q u a t i o n 7 . 1 E q u a t i o n 7 . 3 R e f e r e n c e 6 7 R e f e r e n c e 6 4 1 ( p l a i n ) 4 . 0 3 3 . 8 1 1 . 7 0 i t 2 ( p l a i n + d o w e l s ) 3 . 9 7 * ( 3 . 4 3 ) 3 ' 8 1 1 ° 7 0 3 ( f u l l — d e p t h 4 . 0 9 4 . 5 3 1 . 7 0 S F R C ) 4 ( p a r t i a l - d e p t h 4 . 6 0 4 . 5 3 1 . 7 0 S H E ) S ( p a r t i a l - d e p t h 4 . 8 9 * * 4 ' 5 3 1 ' 7 0 S F R C + d o w e l s i * N e g l e c t i n g t h e r e s i s t a n c e o f d o w e l b a r s * ‘ C o n s i d e r i n g t h e y i e l d s t r e n g t h o f d o w e l b a r s S F R C = S t e e 1 F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( D e o a s V A Z / A , ‘ f c S 1 . 7 ( C ( 7 . 3 ) T h e D e s i g n C o d e 3 1 8 - 8 3 o f t h e A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e a l s o s u g g e s t s t h a t t h e d o w e l b a r s i n p l a i n c o n c r e t e c a n d e v e l o p t h e i r f u l l y i e l d s t r e n g t h a t t h e p e a k b e a r i n g l o a d . T h e p r e d i c t i o n s o f c o n c r e t e a n d f i b r o u s c o n c r e t e s b e a r i n g s t r e n g t h s b y E q u a t i o n 7 . 3 a r e a l s o g i v e n i n T a b l e 7 . 2 . F r o m T a b l e 7 . 2 , i t m a y b e c o n c l u d e d t h a t E q u a t i o n 7 . 1 ( w i t h t h e a s s u m p t i o n t h a t d o w e l b a r s a r e n o t e f f e c t i v e i n p l a i n c o n c r e t e b u t c a n d e v e l o p t h e i r f u l l y i e l d s t r e n g t h a t u l t i m a t e b e a r i n g s t r e n g t h i n f i b r o u s c o n c r e t e ) c a n r e a s o n b l y p r e d i c t t h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y ( w i t h t h e a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n e q u a l t o 5 0 ° i n p l a i n c o n c r e t e a n d 4 7 ° i n f i b e r c o n c r e t e ) . T h e p r e d i c t i o n s o f b e a r i n g s t r e n g t h b y E q u a t i o n 7 . 3 a r e h i g h l y c o n s e r v a t i v e . T h e t e s t r e s u l t s p r o d u c e d i n t h i s s t u d y a n d R e f e r e n c e 6 6 d o n o t a g r e e w i t h t h e a s s u m p t i o n o f t h e A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e D e s i g n C o d e 3 1 8 - 8 3 t h a t d o w e l b a r s c a n d e v e l o p t h e i r y i e l d s t r e n g t h u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s i n p l a i n c o n c r e t e . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t R e f e r e n c e s 6 8 , 6 9 a n d 7 3 h a v e u s e d t h e o r e m s o f l i m i t a n a l y s i s t o p r e d i c t t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h i s a p p r o a c h r e l i e s o n t h e e x t e n s i b i l i t y o f c o n c r e t e i n t e n s i o n a n d r e l a t e s b e a r i n g s t r e n g t h t o t h e r a t i o o f s p e c i m e n h e i g h t t o t h e p l a n n e r d i m e n s i o n o f t h e b e a r i n g a r e a . R e f e r e n c e s 6 8 a n d 7 3 , h o w e v e r , s t a t e t h a t t h e l i m i t t h e o r e m s c a n n o t b e a p p l i e d w h e n t h e s p e c i m e n 5 1 6 d i m e n s i o n s a r e s i g n i f i c a n t l y l a r g e r t h a n t h e d i m e n s i o n s o f t h e b e a r i n g a r e a , m a i n l y d u e t o t h e l i m i t e d l o c a l d e f o r m a b i l i t y o f c o n c r e t e m a t e r i a l s i n t e n s i o n . T e s t r e s u l t s o n p l a i n a n d fi b r o u s c o n c r e t e c o n f i r m t h i s s t a t e m e n t ( R e f e r e n c e s 6 8 a n d 7 3 ) . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e a v a i l a b l e t h e o r i e s e m p h a s i z e o n l y o n t h e p r e d i c t i o n o f b e a r i n g s t r e n g t h . A m a j o r c o n t r i b u t i o n o f f i b e r r e i n f o r c e m e n t u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s i s , h o w e v e r , r e l a t e d t o t h e i m p r o v e m e n t o f t h e d u c t i l i t y o f c o n c r e t e b e h a v i o r . F u r t h e r s t u d i e s a r e n e e d e d i n o r d e r t o a n a l y t i c a l l y s i m u l a t e a n d q u a n t i f y t h i s p h e n o m e n o n a n d t a k e f u l l a d v a n t a g e o f i t s b e n e fi t s i n d e s i g n . 7 m m n n l i n T h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s i n t h e c o n d i t i o n o f c o n c r e t e f o o t i n g s w e r e p r e s e n t e d . A t h e o r e t i c a l a p p r o a c h w a s u s e d t o p r e d i c t t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d t h e r e s u l t s w e r e c o m p a r e d w i t h t h e g e n e r a t e d t e s t d a t a . I t w a s c o n c l u d e d t h a t : 1 . T h e f a i l u r e m o d e o f c o n c r e t e a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s r e s u l t s f r o m p u n c h i n g o u t o f a c o n c r e t e c o n e f r o m b e n e a t h t h e b e a r i n g a r e a , w h i c h p r o d u c e s s p l i t t i n g c r a c k s i n t h e c o n c r e t e b l o c k . T h e s p l i t t i n g c r a c k p a t t e r n i s d i f f e r e n t i n c o n c r e t e f r o m f i b e r c o n c r e t e , b u t i n b o t h c a s e s , t h e s e c r a c k s s t a r t f r o m t h e v i c i n i t y o f t h e b e a r i n g a r e a . 5 1 7 2 . F i b e r r e i n f o r c e m e n t o f c o n c r e t e f o o t i n g s a t t h e i r f u l l d e p t h a n d a l s o a t a t o p l a y e r u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a , c a n e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e b e a r i n g s t r e n g t h a n d e s p e c i a l l y t h e d u c t i l i t y o f f a i l u r e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . T h e a p p l i c a t i o n o f fi b e r s a t a t o p l a y e r c a n p r o v i d e r e s u l t s w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h e s e o b t a i n e d w i t h f u l l d e p t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t . 3 . D o w e l b a r s d o n o t s e e m t o m a k e a s i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o n t o t h e r e s i s t a n c e o f p l a i n c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g p r e s s u r e . T h e s e b a r s , h o w e v e r , t e n d t o b e m o r e e f f e c t i v e w h e n a t o p l a y e r o f c o n c r e t e u n d e r t h e b e a r i n g a r e a i s r e i n f o r c e d w i t h s t e e l f i b e r s . 4 . T h e f a i l u r e m o d e l s a n d t h e o r e t i c a l f o r m u l a t i o n s d e v e l o p e d f o r p r e d i c t i n g t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e c a n b e a p p l i e d t o f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w h e n d u e c o n s i d e r a t i o n i s g i v e n t o t h e c h a n g e s i n c o n c r e t e t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a n d a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t . T h e c u r r e n t t h e o r i e s , h o w e v e r , c a n n o t p r e d i c t t h e i m p r o v e m e n t s i n d u c t i l i t y o f b e h a v i o r u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t . C H A P T E R 8 l h v i r r W 8 . 1 I n t r o d u c t i o n A p p l i c a t i o n o f s h o r t r a n d o m l y d i s t r i b u t e d s t e e l fi b e r s t o b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s r e s u l t s i n i m p r o v e d d u c t i l i t y , s t i f f n e s s , s t r e n g t h a n d h y s t e r e t i c p e r f o r m a n c e . 4 ' 3 2 ' 8 3 S t e e l f i b e r s c a n , t h u s , p a r t i a l l y s u b s t i t u t e c o n fi n i n g h o o p s a n d , c o n s e q u e n t l y , r e d u c e t h e c o n g e s t i o n o f s t e e l i n s e i s m i c - r e s i s t a n t j o i n t s . T h i s i s a g r e a t a d v a n t a g e i n c o n s t r u c t i o n o f b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s i n h i g h - r i s k s e i s m i c z o n e s . F i b e r r e i n f o r c e m e n t i s a l s o f o u n d t o r e d u c e t h e t o t a l c o s t o f s e i s m i c - r e s i s t a n t j o i n t s . I t i s g e n e r a l l y b e l i e v e d t h a t fi b e r s i m p r o v e t h e j o i n t b e h a v i o r t h r o u g h : ( a ) i m p r o v i n g t h e c o n f i n e m e n t o f c o n c r e t e ; ( b ) i n c r e a s i n g t h e s h e a r r e s i s t a n c e a t t h e j o i n t ; a n d ( 0 ) p r o v i d i n g b e t t e r a n c h o r a g e o f r e i n f o r c i n g b a r s c r o s s i n g t h e j o i n t . 8 2 ' 8 3 T h e t e s t d a t a r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e j o i n t s a r e n o t s u f f i c i e n t t o a s s e s s t h e r e l a t i v e s i g n i fi c a n c e o f t h e s e f a c t o r s . R e s e a r c h i s n e e d e d o n t h e d e t a i l s o f t h e m e c h a n i s m s t h r o u g h w h i c h fi b e r r e i n f o r c e m e n t i m p r o v e s t h e o v e r a l l j o i n t b e h a v i o r . T h e i m p r o v e m e n t i n t h e b e h a v i o r o f a n c h o r e d b a r s a t r e i n f o r c e d c o n c r e t e j o i n t s r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t i s t h e s u b j e c t o f t h e i n v e s t i g a t i o n r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r . T h e l o c a l b o n d b e h a v i o r o f d e f o r m e d b a r s a t fi b r o u s r e i n f o r c e d 5 1 8 5 1 9 c o n c r e t e j o i n t s i s s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y , a n d t h e r e s u l t s a r e c o m p a r e d w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g t e s t r e s u l t s o n c o n v e n t i o n a l r e i n f o r c e d c o n c r e t e j o i n t s c o n t a i n i n g n o fi b e r s . W W W : T h e t e n d e n c y o f a n c h o r e d b a r s t o s l i p a t b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s u n d e r b e n d i n g m o m e n t s i s r e s i s t e d b y t h e b o n d b e t w e e n s t e e l a n d c o n c r e t e ( F i g u r e 8 . 1 ) 8 " : 8 5 T h e b o n d r e s i s t a n c e i s p r o v i d e d m a i n l y b y t h e m e c h a n i c a l i n t e r l o c k i n g b e t w e e n b a r l u g s a n d c o n c r e t e ( F i g u r e 8 . 2 . a ) . 8 5 ' 8 7 T h e r a d i a l c o m p o n e n t o f t h e p r e s s u r e i n f r o n t o f t h e l u g s a c t s i n c o n c r e t e a s a n l n t e m a l p r e s s u r e a n d i n d u c e s t e n s i l e s t r e s s e s w h i c h c a u s e a s p l i t t i n g c r a c k ( F i g u r e 8 . 2 . b ) . T h e p r e s e n c e o f r e i n f o r c i n g b a r s w h i c h c r o s s t h e s p l i t t i n g c r a c k w o u l d r e s t r i c t t h e w i d e n i n g o f t h e c r a c k ( F i g u r e 8 . 2 . c ) . T h e c o n fi n e m e n t p r o v i d e d b y s u c h r e i n f o r c e m e n t w i l l m a k e i t p o s s i b l e t o i n c r e a s e t h e p u l l - o u t f o r c e a b o v e t h e f o r c e l e v e l c o r r e s p o n d i n g t o t h e a p p e a r a n c e o f s p l i t t i n g c r a c k s . L o a d i n g c a n b e c o n t i n u e d i n t h i s c a s e , u p t o c o m p l e t e p u l l - t h r o u g h o f t h e a n c h o r e d b a r . T h e e f f e c t s o f c o n fi n e m e n t o n b o n d s t r e s s - s l i p r e l a t i o n s h i p i s s h o w n i n F i g u r e 8 . 2 . d . E f f e c t s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t o n t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n d e f o r m e d b a r s a n d c o n c r e t e h a v e n o t b e e n i n v e s t i g a t e d t h o r o u g h l y . A n e x p e r i m e n t a l s t u d y r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 8 8 h a s c o n c l u d e d t h a t r e i n f o r c e m e n t b y 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f r a n d o m l y d i s t r i b u t e d s t r a i g h t s t e e l fi b e r s w i t h a n a s p e c t r a t i o o f 6 5 c a n i n c r e a s e t h e p u l l - o u t s t r e n g t h o f d e f o r m e d b a r s a n c h o r e d i n c o n fi n e d s p e c i m e n s b y a b o u t 4 0 % . T h i s 5 2 0 F i g u r e 8 . 1 : P u l l - o u t f o r c e o n a n c h o r e d b a r s F i g u r e 8 . 2 : M e c h a n i s m o f b o n d r e s i s t a n c e u n d e r m o n o t i n i c l o a d i n g . 5 2 1 ‘ — 4 . — ‘ — 4 — { — — — > — > — > — > ‘ — ‘ — ‘ — { . — * — a . B o n d r e s i s t a n c e a . 4 . . . s l ' t ‘ P 1 t i n g C r a c k — 6 ? ? / / / w - — > - b — > _ > 4 — 4 ' i v 4 4 — ‘ — { — ‘ — b . S p l i t t i n g c r a c k s i i l ‘ l i l i l l ‘ i l i l i 5 2 2 m m ” ? R e i n f o r c a r e m ; c . C o n fi n i n g r e i n f o r c e m e n t B o r d S t r e s s C o n f i n e d C o n c r e t e S p l i t C r a c k i n g ' U n o o n f i n e d C o n c r e t e B o n d S l i p d . B o n d s t r e s s - s l i p r e l a t i o n s h i p s 5 2 3 r e f e r e n c e a l s o r e p o r t s i m p r o v e m e n t s i n b o n d s t i f f n e s s a n d d u c t i l i t y r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . W T h e s p e c i m e n s t e s t e d i n t h i s s t u d y ( F i g u r e 8 . 3 ) r e p r e s e n t t h e l o c a l b o n d b e h a v i o r o f d e f o r m e d b a r s i n t h e c o n f i n e d r e g i o n o f b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s . I n t h e s e s p e c i m e n s , a s h o r t l e n g t h o f N o . 8 ( 1 i n a 2 5 . 4 m m n o m i n a l d i a m e t e r ) g r a d e 8 0 , ( y i e l d s t r e n g t h a 8 0 K s i = 5 5 0 M P a ) d e f o r m e d b a r w a s e m b e d d e d i n a c o n c r e t e b l o c k c o n fi n e d b y v e r t i c a l a n d t r a n s v e r s e b a r s ( r e p r e s e n t i n g c o l u m n r e i n f o r c e m e n t ) . F i g u r e 8 . 4 s h o w s t h e r e i n f o r c e m e n t c a g e o f a s p e c i m e n i n s i d e i t s w o o d e n f o r m p r i o r t o c a s t i n g c o n c r e t e . T h e e m b e d m e n t l e n g t h w a s c h o s e n t o b e S d b , w i t h d b r e p r e s e n t i n g t h e b o n d e d b a r d i a m e t e r . T h i s e m b e d m e n t l e n g t h i s s h o r t e n o u g h t o r e s u l t i n a f a i r l y u n i f o r m b o n d s t r e s s w h e n t h e b a r i s b e i n g p u l l e d o u t , b u t l o n g e n o u g h t o r e d u c e t h e s c a t t e r o f t e s t r e s u l t s u s u a l l y o b s e r v e d i n t e s t s w i t h a v e r y s h o r t b o n d e d l e n g t h . 8 7 T h e b o n d e d l e n g t h w a s p o s i t i o n e d i n t h e m i d d l e o f t h e s p e c i m e n a n d a b o n d - f r e e l e n g t h o f 5 d b w a s p r o v i d e d a t e i t h e r s i d e . T h i s b o n d - f r e e l e n g t h w a s o b t a i n e d b y c o v e r i n g t h e s b a r w i t h a t h i n p l a s t i c t u b e . T h e e m b e d m e n t l e n g t h w a s t h u s l i m i t e d t o t h e c o n f i n e d c o n c r e t e r e g i o n . A l t h o u g h t h e s p l i t t i n g c r a c k s a r e r e s t r a i n e d b y t h e c o l u m n r e i n f o r c e m e n t , t h e y m a y s t i l l i n f l u e n c e t h e b o n d b e h a v i o r . A n a r t i fi c i a l s p l i t t i n g c r a c k w a s c r e a t e d i n t h e t e s t s p e c i m e n s b y p l a c i n g a t h i n p l a s t i c s h e e t 5 2 4 D i r e c t i o n o f C a s t i n g l l l l d b 1 5 2 n m T u b e T e s t B a r P l a s t i c S h e e t S t i r r u p : 1 5 1 ? “ V e r t i c a l B a r s 1 5 d b r I ) — — T u b e c 2 7 d b I a n fi l l 3 6 . c 2 \ . _ _ P 1 a s t i c S h e e t B o n d F r e e H L e n g t h 6 ' 5 d b B o n d e d L e n g t h F i g u r e 8 . 3 : S c h e m a t i c d i a g r a m o f t e s t s p e c i m e n F i g u r e 8 . 4 : T e s t s p e c i m e n 5 2 5 d u r i n g c a s t i n g i n t h e p l a n e o f t h e l o n g i t u d i n a l b a r a x i s a s s h o w n i n F i g u r e 8 . 3 . T h i s a r t i fi c i a l c r a c k r e p r e s e n t s t h e s p l i t t i n g c r a c k s c a u s e d b y t h e p u l l - o u t o f t h e a d j a c e n t b a r s i n a c t u a l j o i n t c o n d i t i o n s . 8 7 v 8 9 T h e a r r a n g e m e n t s h o w n i n F i g u r e 8 . 3 r e p r e s e n t s t h e b o n d b e h a v i o r w h e n t h e c l e a r s p a i n g o f b a r s i s “ b T h e b o n d e d b a r w a s p l a c e d i n t h e m i d d l e o f t h e s p e c i m e n ( h e i g h t . . 1 2 i n - 3 0 5 m m ) a n d c a s t i n g w a s i n a h o r i z o n t a l p o s i t i o n . T h e r e f o r e , t h e b o n d c o u l d b e e x p e c t e d t o b e s o m e w h a t s u p e r i o r o r i n f e r i o r t o t o p o r b o t t o m b a r s , r e s p e c t i v e l y . T h e t e s t s e t - u p i s s h o w n i n F i g u r e 8 . 5 . T h e p u l l - o u t f o r c e w a s a p p l i e d b y a h y d r a u l i c a c t u a t o r w h i c h s u p p o r t e d o n t h e s p e c i m e n ' s t o p s u r f a c e . A g r e a s e d p l a s t i c s h e e t w a s p r o v i d e d b e t w e e n t h e b a s e p l a t e o f t h e a c t u a t o r a n d t h e s p e c i m e n t o r e d u c e t h e r e s t r a i n i n g e f f e c t o f t h e f r i c t i o n f o r c e s . T h e p u l l - o u t f o r c e w a s m e a s u r e d a t t h e l o a d e d e n d o f t h e b a r b y a l o a d c e l l . A s s u m i n g t h a t t h e b o n d s t r e s s e s a r e e v e n l y . d i s t r i b u t e d a l o n g t h e b o n d e d l e n g t h , t h e y c a n b e c a l c u l a t e d b y d i v i d i n g t h e m e a s u r e d f o r c e b y t h e b o n d e d s u r f a c e a r e a . T h e b o n d s l i p w a s m e a s u r e d a t t h e u n l o a d e d b a r e n d w i t h t w o d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s . S i n c e t h e a n c h o r e d s t e e l b a r b e h a v e s e l a s t i c a l l y i n t h e s e t e s t s , t h e m e a s u r e d s l i p v a l v e s w e r e a s s u m e d t o r e p r e s e n t t h e l o c a l s l i p a t t h e m i d d l e o f t h e e m b e d m e n t l e n g t h w i t h s u f f i c i e n t a c c u r a c y . T h e m a x i m u m e r r o r o f t h e l o a d c e l l a n d t h e d i s p l a c e m e n t t r a n s d u c e r s u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s b e l o w 2 % . T h e d e f o r m a t i o n p a t t e r n o f N o . 8 d e f o r m e d b a r s w h i c h w e r e u s e d a s b o n d e d b a r s i s U 1 1 7 [ ” 1 1 $ ‘ fi I i I i . . _ fi i _ . B e a ; r G i r n e g a a P e l d s t P e l a s t i c 5 2 6 L o a d C e l l I l H y d r a u l i c A c t u a t o r J S h e e t D i s p l a c e m e n t T r a n s d u c e r s S u p p o r t - — — — — — — . F i g u r e 8 . 5 : T e s t s e t - u p 5 2 7 s h o w n i n F i g u r e 8 . 6 . a . T h e s p e c i m e n s w e r e c o n s t r u c t e d w i t h p l a i n o r fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h a v i n g a w a t e r - b i n d e r ( c e m e n t + fl y a s h ) r a t i o o f 0 . 4 a n d a f l y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 . T h e c e m e n t u s e d i n t h i s s t u d y w a s T y p e I , a n d t h e fl y a s h h a d a s i l i c a c o n t e n t o f 4 7 % ( s e e T a b l e 2 . 1 o f S e c t i o n 2 . 3 C h a p t e r 2 f o r t h e m a j o r c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e f l y a s h u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n ) . T h e m i x a l s o c o n t a i n e d a s u p e r p l a s t i c i z e r - b i n d e r r a t i o o f 1 . 5 % b y w e i g h t , a n d a n a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o o f 4 . 0 , w i t h t h e s a n d c o n t e n t b e i n g e q u a l t o t h a t o f g r a v e l ( m a x i m u m s i z e a 3 / 4 i n = 1 9 m m ) . T h e s t e e l fi b e r v o l u m e f r a c t i o n i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w a s 2 % , a n d t h e r o u n d s t r a i g h t fi b e r s u s e d h a d a d i a m e t e r o f 0 . 0 3 5 i n ( 0 . 8 9 m m ) a n d a l e n g t h o f 2 i n ( 5 1 m m ) , r e s u l t i n g i n a n a s p e c t r a t i o o f 5 7 . T h e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u s e d i n t h i s s t u d y h a d a s l u m p f o 1 . 2 i n ( 3 0 . 5 m m ) , a n i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f 3 2 s e c o n d s , a n d a n a i r c o n t e n t o f 2 . 7 % . T h e 2 8 - d a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s o f f i b e r a n d p l a i n c o n c r e t e s w e r e 6 , 5 0 0 p s i ( 4 4 . 8 M P a ) a n d 6 , 0 0 0 p s i ( 4 1 . 4 M P a ) , r e s p e c t i v e l y . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h s w e r e 1 , 7 0 0 p s i ( 1 1 . 7 M P a ) a n d 8 5 0 p s i ( 5 . 9 M P a ) f o r s t e e l fi b e r a n d p l a i n c o n c r e t e s , r e s p e c t i v e l y . T h e c o m p r e s s i o n a n d f l e x u r a l s a m p l e s a s w e l l a s t h e b o n d t e s t s p e c i m e n s w e r e m o i s t c u r e d i n s i d e t h e i r f o r m s f o r s e v e n d a y s . T h e y w e r e t h e n e x p o s e d t o t h e r e g u l a r l a b e n v i r o n m e n t u n t i l t h e t e s t a g e o f 2 8 d a y s . T h e c o m p r e s s i o n s p e c i m e n s w e r e 6 x 1 2 i n ( 1 5 0 x 3 0 0 m m ) c y l i n d e r s , a n d t h e f l e x u r a l s p e c i m e n s w e r e 6 x 6 x 2 0 i n ( 1 5 0 x 1 5 0 x 5 0 0 m m ) p r i s m s l o a d e d a t - o 5 2 8 . 0 5 0 - ‘ : _ _ i s 7 i r } _ _ . " 5 l - - A A ( ( 1 7 1 7 1 1 I I I 1 1 7 7 f t — . t s i Q u i n , L L a . D e f o r m a t i o n p a t t e r n o f N o . 8 b o n d e d b a r s C b m p r e s s i v e S t r e s s ( K s i ) 8 — F i b e r C o n c r e t e P l a i n C o n c r e t e l T r 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3 C o m p r e s s i v e S t r a i n b . C o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o f p l a i n e a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e F i g u r e 8 . 6 : M a t e r i a l p r o p e r t i e s . 1 i n = 2 5 . 4 m m , 1 K i p - 4 . 5 K N , 1 K s i = 6 . 9 M P a . 5 2 9 3 0 P l e n i r a l L o a d ( K i p s ) 0 . I T l I o 0 . 2 0 . 4 0 . 5 D e f l e c t i o n ( i n ) c . F l e x u r a l l o a d - d e fl e c t i o n r e l a t i o s h i p s o f p l a i n a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 5 3 0 o n e - t h i r d p o i n t s o n a s p a n o f 4 5 0 m m ( 1 8 i n ) . T h e a v e r a g e s o f t h e c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n a n d f l e x u r a l l o a d d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s ( o b t a i n e d f r o m t w o c o m p r e s s i v e a n d t h r e e f e l x u r a l t e s t s p e c i m e n s ) f o r p l a i n a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 8 . 6 . b a n d 8 . 6 . c , r e s p e c t i v e l y . T w e l v e p u l l - o u t s p e c i m e n s w e r e c o n s t r u c t e d i n t h i s s t u d y ( t w o i d e n t i c a l s p e c i m e n s f o r e a c h c o n d i t i o n ) . T h e m a i n v a r i a b l e s o f t h e t e s t p r o g r a m w e r e t h e v o l u m e f r a c t i o n o f f i b e r s a n d t h e a m o u n t o f g r a d e 6 0 ( y i e l d s t r e n g t h = 6 0 K s i - 4 1 4 M P 5 ) l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e b a r s ( c o n f i n i n g r e i n f o r c e m e n t ) p r o v i d e d i n t h e s p e c i m e n s . T a b l e 8 . 1 s u m m a r i z e s t h e t e s t p r o g r a m c o n d u c t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n . M u l l : F r o m t h e t e s t r e s u l t s o n c o n f i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s w i t h d i f f e r e n t fi b e r c o n t e n t s ( s p e c i m e n s 1 , 2 , a n d 9 , 1 0 i n T a b l e 8 . 1 ) p r e s e n t e d i n F i g u r e 8 . 7 , i t m a y b e ‘ c o n c l u d e d t h a t t h e u l t i m a t e a n d p o s t - p e a k ( f r i c t i o n a l ) b o n d s t r e n g t h s i n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y a s a r e s u l t o f r e i n f o r z e m e n t b y s t e e l fi b e r s . E a c h c u r v e i n F i g u r e 8 . 7 r e p r e s e n t s t h e a v e r a g e o f t e s t r e s u l t s o n t w o s p e c i m e n s , n o t i n g t h a t t h e i d e n t i c a l s p e c i m e n s p e r f o r m e d v e r y s i m i l a r l y . T h e u l t i m a t e l o c a l b o n d r e s i s t a n c e i n c o n f i n e d s t e e l fi b e r c o n c r e t e w a s o n t h e a v e r a g e 5 5 % h i g h e r t h a n t h a t i n c o n fi n e d p l a i n c o n c r e t e ( c o m p a r e d t o t h e 4 0 % i n c r e a s e r e p o r t e d i n R e f e r e n c e 8 8 ) , a n d t h e i n c r e a s e i n f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e d u e t o t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s w a s 1 4 0 % . T h e c o n t r i b u t i o n o f fi b e r s t o b o n d r e s i s t a n c e i n c o n fi n e d c o n c r e t e m a y b e a t t r i b u t e d t o t h e i r e f f e c t s o n a r r e s t i n g t h e c r a c k s , c o n f i n i n g t h e c o n c r e t e , a n d m a i n t a i n i n g t h e T a b l e 8 . 1 : R e i n f o r c e m e n t c o n fi g u r a t i o n s o f t e s t s p e c i m e n s ( s e e F i g u r e 8 . 3 ) f f 4 5 3 1 b a r = 0 . 5 i n = 1 2 . 7 m m d i a m e t e r S p e c i m e n N o . V f ( t ) V e r t i c a l S t e e l T r a n s v e r s e S t e e l * 1 s 2 2 4 # 4 4 # 4 3 & 4 2 a # 4 2 « 4 S 6 6 2 a # 4 - - - 7 & 8 2 - - - - - - 9 G 1 0 0 4 # 4 4 # 4 1 1 & 1 2 O - - - - * E q u a l l y - s p a c e d s t i r r u p s . V f - F i b e r v o l u m e f r a c t i o n 5 3 2 B o n d S t r e s s ( K s i ) . _ l 3 2 F i b e r C o n c r e t e ( S p e c i m e n s l a 2 ) 1 — P l a i n C o n c r e t e ( S p e c i m e n s 9 x 1 0 ) 0 l l 7 I B o n d S l i p 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 ( i n ) F i g u r e 8 . 7 : E f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n c o n fi n e d c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i = 6 . 9 M P a 5 3 3 i n t e g r i t y o f c o n c r e t e i n t h e v i c i n i t y o f a n c h o r e d b a r s a f t e r m a j o r b o n d c r a c k i n g . I n u n c o n f i n e d s p e c i m e n s , w i t h n o v e r t i c a l o r t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t , f a i l u r e i n p l a i n s p e c i m e n s u n d e r p u l l - o u t f o r c e s w a s b r i t t l e a n d o c c u r r e d a t r e l a t i v e l y l o w b o n d s t r e s s e s w h e n t h e b o n d s p l i t t i n g c r a c k a p p e a r e d . A s s h o w n i n F i g u r e 8 . 8 , f i b e r s p r o v i d e m o r e r e s t r a i n t a g a i n s t s u d d e n w i d e n i n g o f t h e s p l i t t i n g c r a c k , a n d i m p r o v e t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e a n d p o s t - p e a k d u c t i l i t y o f u n c o n f i n e d s p e c i m e n s . F i g u r e 8 . 9 s u m m a r i z e s t h e a v e r a g e t e s t r e s u l t s p r e s e n t i n g t h e e f f e c t s o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t , a t a c o n s t a n t l e v e l o f l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t , o n t h e b o n d p e r f o r m a n c e o f d e f o r m e d b a r s i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i m e n s . T h e r e s u l t s d o n o t s h o w a n y c o n s i s t e n t e f f e c t s o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t o n t h e l o c a l b o n d b e h a v i o r i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a s f a r a s t h e v e r t i c a l b a r s a r e p r e s e n t t o r e s t r i c t t h e o p e n i n g o f s p l i t t i n g c r a c k s . I t m a y b e c o n c l u d e d f r o m F i g u r e 8 . 9 t h a t t h e r e d u c t i o n o f t r a n s v e r s e c o n f i n i n g r e i n f o r c e m e n t i n t h e p r e s e n c e o f s t e e l fi b e r s d o e s n o t a d v e r s e l y i n f l u e n c e t h e i m p r o v e m e n t s i n l o c a l b o n d b e h a v i o r r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t . W e T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r o n m o n o t o n i c l o c a l b o n d b e h a v i o r i s f i b r o u s c o n c r e t e j o i n t s i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e u l t i m a t e b o n d r e s i s t a n c e i n c o n f i n e d c o n c r e t e i n c r e a s e s b y a b o u t 5 5 % d u e t o I o 1 0 . 2 F i b e r r c i e m t e e n s 7 C ( o S 0 p n l . e c 6 t 0 8 ) 8 1 . l . 0 4 B o n d S l i p ( i n ) 5 3 4 4 _ _ ) B o n d S t r e s s ( K 5 1 ) 1 1 E 1 2 ) F i g u r e 8 . 8 : E f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n u n c o n f i n e d c o n c r e t e . 1 i n - 2 5 . 4 m m , 1 K s i - 6 . 9 M P a 5 3 5 B o n d S t r e s s 1 ' : _ ‘ l 0 S a e c i m e n s 5 x 6 — F — l n o s t i r r u p s L W 3 - — S p e c i m e n 3 a 4 l 1 T I B o r d S l i p 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 ( i n ) F i g u r e 8 . 9 : E f f e c t o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t o n l o c a l b o n d b e h a v i o r i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h l o n g i t u d i n a l r e i n f o r c e m e n t . 1 i n s 2 5 . 4 m m , 1 K s i : - 6 . 9 - M P a 5 3 6 r e i n f o r c e m e n t b y 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t r a i g h t r o u n d s t e e l fi b e r s w i t h a n a s p e c t r a t i o o f 5 7 . T h e r e a l s o w a s a 1 4 0 % i n c r e a s e i n t h e f r i c t i o n a l b o n d r e s i s t a n c e r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 2 . T h e l o c a l b o n d b e h a v i o r i s n o t s i g n i fi c a n t l y i n fl u e n c e d b y v a r i a t i o n s i n t h e a m o u n t o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t i n f i b e r r e i n f o r c e d j o i n t s , a s l o n g a s s u f fi c i e n t v e r t i c a l b a r s a r e p r o v i d e d f o r r e s t r a i n i n g t h e b o n d s p l i t t i n g c r a c k s . 3 . l n u n c o n f i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s h a v i n g n o r e i n f o r c e m e n t f o r r e s t r a i n i n g t h e s p l i t t i n g c r a c k s , t h e a p p l i c a t i o n o f f i b e r s i n c r e a s e s t h e l o c a l b o n d u l t i m a t e s t r e n g t h ( w h i c h , l i k e i n t h e c a s e o f p l a i n c o n c r e t e , i s t h e s t r e n g t h r e a c h e d a t s p l i t c r a c k i n g ) , a n d p r o v i d e s s o m e p o s t - p e a k r e s i s t a n c e . C H A P T E R 9 2 1 . 9 m m ! R e i n f o r c e m e n t b y r a n d o m l y d i s t r i b u t e d s h o r t f i b e r s i n a n e f f e c t i v e t e c h n i q u e f o r i m p r o v i n g t o u g h n e s s , i m p a c t r e s i s t a n c e a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e s e e n h a n c e m e n t s h a v e e n c o u r a g e d t h e p e r f o r m a n c e o f n u m e r o u s e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n r e c e n t y e a r s . A n a l y t i c a l s i m u l a t i o n s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e h a v i o r a r e , h o w e v e r , j u s t e m e r g i n g . C u r r e n t l y , s u c h b a s i c p r o b l e m s a s m o d e l i n g o f t h e m a t e r i a l c o n s t i t u t i v e b e h a v i o r a n d d e v e l o p i n g a r e l i a b l e t e c h n i q u e f o r p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t e r m s o f m a t r i x a n d f i b e r p r o p e r t i e s a r e y e t t o b e r e s o l v e d . T h i s c h a p t e r p r e s e n t s a c i r t i c a l r e v i e w o f t h e c o m m o n l y u s e d c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t i n i t s a p p l i c a t i o n t o p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . E Z I i l E l ' [ 5 ' I E " 5 . ! I E I I I I m m T h e a v a i l a b l e d i r e c t t e n s i o n t e s t d a t a h a v e i n d i c a t e d t h a t r e i n f o r c e m e n t b y s t e e l f i b e r s i n c r e a s e s t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d s i g n i fi c a n t l y i m p r o v e s t h e p o s t - p e a k t e n s i l e b e h a v i o r . 4 ' 5 ' 2 4 ' 3 3 ' 3 5 ' 3 6 ' 4 2 ' 8 0 ' 9 0 F i g u r e 9 . 1 p r e s e n t s a c r i t i c a l c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e t e n s i l e s t r e s s - s t r a i n d i a g r a m s o f p l a i n c o n c r e t e 5 3 7 S t r e n g t h ( S c ) F i b e r V o l u n e F r a c t i o n , V f 5 3 8 T e n s i l e S t r e s s ( p s i ) U l t i m a t e T e n s i l e ‘ H T a t s i l e S t r a i n a t P e a k ( e n ) 4 0 0 _ l s ) l 3 2 2 0 0 — 1 o o I l I l j T e n s i l e S t r a i n o 2 4 6 a ( 1 0 - 3 ) F i g u r e 9 . 1 : T e n s i l e b e h a v i o r o f p l a i n a n d s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s . 3 3 3 5 9 4 2 9 0 1 K s i = 6 . 9 M P a 5 3 9 a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t f i b e r v o l u m e f r a c t i o n s . I n t h e c a s e o f p l a i n c o n c r e t e , t h e b e h a v i o r i s l i n e a r u p t o t h e p e a k a n d t h e r e a f t e r t h e r e s i s t a n c e d r o p s a t a f a s t r a t e . 9 0 T h e t e n s i l e b e h a v i o r o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s a l s o l i n e a r i n i t i a l l y , b u t t h e r e i s a d r o p i n s t i f f n e s s n e a r t h e p e a k a t a s t r e s s u s u a l l y r e f e r r e d t o a s t h e fi r s t c r a c k s t r e n g t h . T h e p e a k t e n s i l e s t r e s s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s h i g h e r t h a n p l a i n c o n c r e t e , a n d i n t h e p o s t - p e a k r e g i o n t h e d r o p i n t e n s i l e r e s i s t a n c e i s m u c h m u c h s l o w e r . H e n c e , fi b e r r e i n f o r c e m e n t c o n s i d e r a b l y i m p r o v e s t o u g h n e s s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e . T h e s e i m p r o v e m e n t s i n t e n s i l e b e h a v i o r o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t a r e i n f l u e n c e d , a s e x p e c t e d , b y f i b e r t y p e ( s t r a i g h t , h o o k e d , c r i m p e d , e t c . ) a n d a s p e c t r a t i o . C u r r e n t l y , t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t ( s o m e t i m e s r e f e r r e d t o a s t h e l a w o f m i x t u r e ) i s t h e m o s t p o p u l a r a p p r o a c h f o r p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e a n a l y t i c a l t e c h n i q u e w a s b a s i c a l l y d e v e l o p e d f o r p r e d i c t i n g t h e f i r s t c r a c k s t r e n g t h o f c o m p o s i t e m a t e r i a l s w i t h f u l l y b o n d e d a l i g n e d c o n t i n u o u s fi b e r s , a s s u m i n g t h a t p o i s s o n ' s r a t i o i s z e r o f o r fi b e r a n d m a t r i x . I n t h i s c a s e , t h e f i r s t c r a c k s t r e n g t h o f t h e c o m p o s i t e , S C , c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e f o l l o w i n g e q u a fi o n : S C = S f V f + S m ( 1 - V f ) ( 9 . 1 ) 5 4 0 w h e r e : S f a : fi b e r t e n s i l e s t r e s s a t m a t r i x r u p t u r e ; V f a fi b e r v o l u m e f r a c t i o n ; a n d S r n - m a t r i x t e n s i l e s t r e n g t h . I n o r d e r t o a p p l y t h e a b o v e e q u a t i o n t o c a l c u l a t e t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h r a n d o m l y d i s t r i b u t e d f i b e r s , i t s h o u l d b e a d j u s t e d t o a c c o u n t f o r : ( a ) r a n d o m o r i e n t a t i o n o f f i b e r s w h i c h r e d u c e s t h e i r e f fi c i e n c y ; ( b ) i m p e r f e c t b o n d a n d s h o r t f i b e r l e n g t h t h a t r e s u l t i n fi b e r s l i p p a g e d u r i n g c r a c k o p e n i n g ; a n d ( c ) r a n d o m d i s t r i b u t i o n o f c r a c k s w h i c h d o n o t n e c e s s a r i l y c r o s s fi b e r s a t t h e i r m i d l e n g t h . W i t h t h e s e c o n s i d e r a t i o n s , t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t , w h e n a p p l i e d t o c o n c r e t e w i t h s h o r t r a n d o m l y d i s t r i b u t e d fi b e r s , r e s u l t s i n t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n f o r t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h , S c u ( R e f e r e n c e s 4 , 5 , 1 7 , 3 4 , 9 2 - 9 5 ) : s c u . . 2 3 b T u ( l y d f ) v f + 9 8 m ( 1 - V . ) ( 9 . 2 ) W h e r e : . T u = a v e r a g e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s a t u l t i m a t e c o n d i t i o n ; I , = fi b e r l e n g t h ; 5 4 1 d f a fi b e r d i a m e t e r ; a - e f fi c i e n c y f a c t o r a c c o u n t i n g f o r t h e r a n d o m o r i e n t a t i o n o f fi b e r s s h o w n i n F i g u r e 9 . 2 ( a - 0 . 4 1 i n R e f e r e n c e s 3 4 , 9 2 , 9 4 ) ; b - e f fi c i e n c y f a c t o r a c c o u n t i n g f o r t h e f a c t t h a t t h e c r a c k c r o s s e s a fi b e r a t a r a n d o m l o c a t i o n a l o n g i t s l e n g t h , a l s o s h o w n i n F i g u r e 9 . 2 . T h e v a l u e o f b u s e d b y d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r s r a n g e s f r o m 0 . 4 1 t o 1 . 0 ( R e f e r e n c e s 5 , 3 4 , 9 2 , 9 4 ) ; a n d g s a f a c t o r r e p r e s e n t i n g t h e f r a c t i o n o f t h e m a t r i x s t r e n g t h c o n t r i b u t i n g t o t h e t e n s i l e s t r e n g t h ( R e f e r e n c e s 9 3 a n d 9 5 n e g l e c t t h e c o n t r i b u t i o n o f t h e m a t r i x a n d a s s u m e 9 - 0 , w h i l e R e f e r e n c e s 1 7 , 3 4 , 4 6 , 9 2 , 9 4 s u g g e s t v a l u e s c l o s e t o 1 . 0 ) . A c l o s e e x a m i n a t i o n o f E q u a t i o n 9 . 2 r e v e a l s t h a t t h e f o l l o w i n g a s s u m p t i o n s h a v e b e e n m a d e f o r a p p l i c a t i o n o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t t o fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e : a . F a i l u r e o c c u r s b y p u l l - o u t o f fi b e r s ( n o t b y fi b e r r u p t u r e ) , a n d a s s u m i n g a u n i f o r m i n t e r f a c i a l b o n d d i s t r i b u t i o n , t h e fi b e r s t r e s s a t u l t i m a t e c o n d i t i o n S f i n E q u a t i o n 9 . 2 i s r e p l a c e d b y 2 T U l f / d f ( s e e F i g u r e 9 . 3 ) : b . A d o p t i o n o f g e 0 ( L e . S c u - 2 a b T u I f / d f ) b y s o m e i n v e s t i g a t o r s i m p l i e s t h a t fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e a c h e s i t s u l t i m a t e s t r e n g t h w h e n f i b e r s r e a c h t h e i r p e a k p u l l - o u t s t r e n g t h w i t h n o c o n t r i b u t i o n f r o m t h e m a t r i x ; a n d F i g u r e 9 . 2 : R a n d o m o r i e n t a t i o n a n d l o c a t i o n o f f i b e r s w i t h r e s p e c t t o c r a c k — v — V . - _ \ ; V — _ V 4 — _ v 4 + F i g u r e 9 . 3 : I n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s a t u l t i m a t e c o n d i t i o n 5 4 2 ~ \ fl § ( \ K . - . . . 2 % ( i f / d f ) m a g / 4 ) 1 f / 2 5 4 3 c . I n c a s e o f a s s u m i n g t h a t g i s c l o s e t o 1 . 0 , b o t h o f t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f m a t r i x a n d p u l l - o u t r e s i s t a n c e o f fi b e r s w o u l d b e c o n t r i b u t i n g t o t e n s i l e s t r e n g t h . W i f r T h i s s e c t i o n p r e s e n t s a b r i e f r e v i e w o f t h e e x p e r i m e n t a l d a t a t h a t w i l l b e u s e d l a t e r f o r a n e v a l u a t i o n o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t a s i t i s c u r r e n t l y a p p l i e d t o p r e d i c t t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . I n s t u d i e s o n t h e fi b e r p u l l - o u t b e h a v i o r ( R e f e r e n c e s 2 1 , 9 6 - 1 0 4 ) , i t s h o u l d b e n o t i c e d t h a t d u e t o t h e r a n d o m o r i e n t a t i o n o f fi b e r s w e a r e m a i n l y c o n c e r n e d w i t h t h e p u l l - o u t p e r f o r m a n c e o f i n c l i n e d f i b e r s , w h i c h i s g o v e r n e d b y t w o m e c h a n i s m s ( F i g u r e 9 . 4 ) : ( a ) s h e a r a t i n t e r f a c e ; a n d ( b ) fi b e r d o w e l a c t i o n ( i n v o l v i n g i n e l a s t i c A b e n d i n g o f fi b e r s ) . T h e c o n t r i b u t i o n o f e a c h m e c h a n i s m t o p u l l - o u t r e s i s t a n c e d e p e n d s , a m o n g o t h e r f a c t r o r s , o n fi b e r a n g l e o f i n c l i n a t i o n . T h e d o w e l a c t i o n o f f i b e r s d a m a g e s t h e m a t r i x , a n d t h u s t h e b e h a v i o r o f c l o s e l y - s p a c e d m u l t i p l e fi b e r s i s i n f e r i o r t o t h a t o b s e r v e d i n s i n g l e f i b e r p u l l - o u t t e s t s . F r o m t h e a b o v e d i s c u s s i o n , o n e m a y c o n c l u d e t h a t t h e a c t u a l p u l l - o u t b e h a v i o r o f r a n d o m l y d i s t r i b u t e d fi b e r s i n c o n c r e t e d e p e n d s o n a s e t o f f a c t o r s i n c l u d i n g : ( a ) i n t e r f a c i a l s h e a r b e t w e e n fi b e r a n d m a t r i x ; ( b ) m a t r i x p r o p e r t i e s ; ( c ) fi b e r r i g i d i t y a n d p l a s t i c m o m e n t ; ( d ) fi b e r i n c l i n a t i o n ; ( e ) n u m b e r o f fi b v e r s p e r u n i t a r e a ; a n d ( f ) fi b e r a s p e c t r a t i o . 5 4 4 S h e a r a t I n t e r f a c e F i g u r e 9 . 4 : P u l l - o u t m e c h a n i s m o f a n i n c l i n e d fi b e r I n t h e m a j o r i t y o f t h e r e p o r t e d p u l l - o u t t e s t s o n fi b e r s ( R e f e r e n c e s 2 1 , 9 6 - 1 0 4 ) , a s i n g l e fi b e r a l i g n e d w i t h t h e l o a d i n g d i r e c t i o n h a s b e e n p u l l e d o u t o f u n r e i n f o r c e d m a t r i x . A t y p i c a l p u l l - o u t l o a d - s l i p r e l a t i o n s h i p o b t a i n e d i n s u c h t e s t s i s s h o w n i n F i g u r e 9 . 5 . R e l a t i v e l y l a r g e v a r i a t i o n s h a v e b e e n o b s e r v e d i n fi b e r p u l l - o u t t e s t r e s u l t s . T h e s e v a r i a t i o n s r e s u l t i n l a r g e p a r t f r o m d i f f e r e n t s t r e s s d i s r i b u t i o n s i n fi b e r s a n d m a t r i x i n d u c e d b y d i f f e r e n t p u l l - o u t t e s t t e c h n i q u e s ( s e e F i g u r e 9 . 6 ) . T a b l e 9 . 1 p r e s e n t s a s u m m a r y o f t h e a v a i l a b l e p u l l - o u t t e s t r e s u l t s o n s i n g l e s t r a i g h t s t e e l fi b e r s a l i g n e d w i t h t h e l o a d i n g d i r e c t i o n . I t i s w o r t h m e n t i o n i n g t h a t t h e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s e s p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r a r e d e r i v e d a s s u m i n g a u n i f o r m b o n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n a l o n g t h e e m b e d m e n t l e n g t h d u r i n g p u l l - o u t . T h e m a i n q u a n t i t i e s u s e d i n t h i s s t u d y a r e , h o w e v e r , p u l l - o u t d i s p l a c e m e n t o f fi b e r s a n d o p e n i n g o f c r a c k s . T h e b o n d s t r e s s v a l u e s a r e j u s t u s e d f o r a q u a l i t a t i v e c o n fi r m a t i o n o f t h e r e s u l t s , a n d t h u s a m o r e a c c u r a t e a s s e s s m e n t o f t h e v a l u e s o f i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s b a s e d o n m o r e c o m p l e x s t r e s s d i s t r i b u t i o n s ( e . g . , r fi F i g u r e 9 . 6 : F i b e r p u l l - o u t t e s t t e c h n i q u e s . P u l l - o u t 1 L o a d ( S t r e s s ) W “ " ‘ 0 4 - S l i p 0 ' 0 F i g u r e 9 . 5 : A t y p i c a l fi b e r p u l l - o u t l o a d - s l i p r e l a t i o n s h i p j , « I : : 1 1 » 0 . R e f e r e n c e 1 0 3 a . R e f e r e n c e s 9 6 , 9 7 a n d 9 9 f . R e f e r e n c e 1 0 2 5 4 6 e . R e f e r e n c e 8 9 c . R e f e r e n c e 1 0 1 d . R e f e r e n c e 1 0 0 5 4 7 T a b l e 9 . 1 : R e s u l t s o f p u l l - o u t t e s t s o n a s i n g l e s t r a i g h t s t e e l f i b e r a l i g n e d w i t h t h e l o a d i n g w i t h t h e l o a d i n g d i r e c t i o n ‘ h m M i s t - a p t W C S I C C a s t i n g ' t y p e S l i p a t i n i t ' S t i f n s s s l e n g t h fi n e - u F i g u r e D i r e c t i o n s u n s P e a l : p s i / m w - I w i t h r e a p s c t l l i n t - 1 w i t h ) S t r e s s t o F i b e r i n l r r m l 9 7 . 9 9 9 . 6 . a 0 . 6 0 2 . 5 m m 0 . 5 0 0 . 0 1 0 t r e s s m a t e d 3 0 0 0 . 0 3 1 1 4 0 0 ( 1 2 . 7 ) ( 0 . 2 5 ) l u g s t m i l e ( 2 . 6 ) ( 0 . 7 6 ) ( 3 . 1 0 ) 9 6 9 . 6 . a 0 . 5 0 3 . 0 p e r p e n d i c u l a r 0 . 4 7 0 . 0 1 5 " 5 8 6 ' 0 9 ' ( 1 2 . 0 ) ( 0 . 3 0 ) ( 4 . 1 ) 1 0 3 9 . 6 . ) : 0 . 3 1 0 . 0 p u p - d i a l e r 1 . 2 0 . 0 2 9 m a d e o f 2 5 0 " “ ( 3 0 . 0 ) ( 0 . 7 5 ) c o l l w i r e ( 1 . 0 ) 1 0 1 9 . 6 . : 0 . 5 0 2 . 0 p e r p - t d i c u l a r 2 . 0 0 . 0 1 5 t r e s s c o a t e d 1 9 4 “ “ ( 5 0 . 8 ) ( 0 . 3 6 ) h i m t e n s i l e ( 1 . 3 ) 1 0 1 9 . 6 . c 0 . 5 0 2 . 0 p a r a l l e l 2 . 0 0 . 0 1 5 b r a s s w a t e r ! 3 2 6 " 0 ' ( 5 0 . 8 ) ( 0 . 3 8 ) h i g h t e n s i l e ( 2 . 3 ) 1 0 1 9 . 6 . c 0 . 5 0 3 . 0 p s r p m d i c u l a r 2 . 0 0 . 0 1 5 t r a u m a s - d 2 0 6 “ ' 9 ( 5 0 . 9 ) ( 0 . 3 0 ) h i g h t e n s i l e ( 1 . 4 ) 1 0 1 9 . 6 . c 0 . 5 0 3 . 0 p a r a l l e l 2 . 0 0 . 0 1 5 b r a s s m a t e d 3 2 1 ' 9 “ ( 5 0 . 8 ) ( 0 . 3 0 ) h i g h t e n s i l e ( 2 . 2 ) 1 0 1 9 . 6 . : 0 . 5 0 4 . 0 p s r p - t d i c u l a r 2 . 0 0 . 0 1 5 b r a s s u n s e e d w 2 3 7 “ “ ( 5 0 . 8 ) ( 0 . 3 9 ) h i g h t e n s i l e ( 1 . 6 ) 1 0 1 9 . 6 . c 0 . 5 0 4 . 0 p s r s l l s l 2 . 0 0 . 0 1 5 b r a s s c a s t e d 2 6 0 " " ( 5 0 . 3 ) ( 0 . 3 8 l I n c h t e n s i l e ( 1 . 8 ) 1 0 0 9 . 6 . 1 1 0 . 3 0 0 . 0 p a r a l l e l 0 . 6 9 0 . 0 1 5 l a t - I c e m a n 3 7 5 " " ' ( 1 7 . 5 ) ( 0 . 3 8 ( 2 . 6 ) 9 6 9 . 6 . s 0 . 6 0 2 . 5 p a r t - i d i o m : 0 . 5 0 0 . 0 1 5 A r m e d 6 5 0 . 0 0 3 0 2 5 5 ( 1 2 . 5 ) ( 0 . 3 8 ) ( 0 . 4 5 ) ( 0 . 2 0 ) ( 2 . 2 4 ) 1 0 2 9 . 6 . ! 0 . 5 5 " p a s - p u r i t a n s : 0 . 5 0 0 . 0 1 5 w 2 9 1 0 . 0 0 0 3 6 6 3 0 ( 1 2 . 5 ) ( 0 . 3 8 ) ( 2 . 0 ) ( 0 . 2 0 ) ( 1 0 . 0 ) 1 0 2 9 . 6 . f 0 . 5 5 “ m u s c u l a r 1 . 6 0 . 0 2 0 u m 1 3 . 0 . 0 1 1 3 0 4 6 ( 4 0 . 0 ) ( 0 . 5 0 ) ( 0 . 9 5 ) ( 0 . 2 5 ) ( 3 . 7 6 ) r s t i o s a r e b y w e i g h t " O h - W S I s e n d " c - a - t r " I n o t a v a i l a b l e 5 4 8 e x p o n e n t i a l ) w i l l n o t i n f l u e n c e t h e c o n c l u s i o n s . P u l l - o u t t e s t s o n fi b e r s i n c l i n e d w i t h r e s p e c t t o t h e l o a d i n g d i r e c t i o n ( F i g u r e 9 . 7 ) ( R e f e r e n c e s 9 7 , 9 9 , 1 0 4 ) h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e p e a k p u l l — o u t l o a d i s n o t m u c h d i f f e r e n t f o r a l i g n e d a n d i n c l i n e d f i b e r s ( h o w e v e r . i f t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e i s a t t r i b u t e d o n l y t o t h e i n t e r f a c i a l b o n d , a s a s s u m e d i n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t , t h e u l t i m a t e b o n d s t r e s s w o u l d b e l a r g e r f o r i n c l i n e d fi b e r s ) . T h e r e i s o n l y a s l i g h t d e c r e a s e i n t h e m a x i m u m p u l l - o u t d i s t a n c e o f i n c l i n e d fi b e r s , b u t c o m p a r e d t o t h e a l i g n e d o n e s . t h e i n c l i n e d fi b e r s h a v e s u p e r i o r p o s t - p e a k b e h a v i o r a n d l a r g e r e n e r g y d i s s i p a t i o n c a p a c i t y ( F i g u r e 9 . 7 ) . P u l l - o u t t e s t s o n m u l t i p l e fi b e r s h a v e s h o w n t h a t i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f f i b e r s p e r u n i t a r e a t e n d s t o d a m a g e t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e o f i n c l i n e d fi b e r s m u c h m o r e t h a n a l i g n e d o n e s . M u l t i p l e i n c l i n e d f i b e r s e x h i b i t l o w e r p u l l - o u t s t r e n g t h , . p u l l - o u t w o r k a n d m a x i m u m p u l l - o u t d i s t a n c e w h e n c o m p a r e d w i t h t h e s i n g l e i n c l i n e d fi b e r s ( F i g u r e 9 . 8 ) . F o l l o w i n g t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t t h a t a s s u m e s t h a t i n t e r f a c i a l b o n d i s t h e o n l y m e c h a n i s m c o n t r i b u t i n g t o p u l l - o u t r e s i s t a n c e , t h e r a n g e s b e l o w c a n b e d e d u c e d f r o m t h e a v a i l a b l e p u l l - o u t t e s t r e s u l t s ( R e f e r e n c e s 2 1 . 9 6 - 1 0 4 ) . I n i t i a l p u l l - o u t s t i f f n e s s E p ( s h o w n i n F i g u r e 9 . 5 ) o f s i n g l e s t r a i g h t s t e e l f i b e r s , a l g i n e d o r i n c l i n e d . r a n g e s f r o m 8 , 0 0 0 t o 3 7 , 0 0 0 p s i / i n ( 2 . 1 7 t o 1 0 . 1 M P a / m m ) a n d t h e F fi i b g e u r r s e 0 9 7 9 . 7 : P u , 9 9 , 1 l 0 l 4 - o u t f o r c e - s l i p r e l a t i o n s h i p s o f a l i g n e d a n d i n c l i n e d 5 4 9 P u l l - o u t L o a d , l b ( N ) 6 _ ( P e a k L o a d ( 1 . 3 2 F i b e r A n g l e o f I n c l i n a t i o n O = 0 d e g r e e 1 f 8 l i n = 2 5 . 0 1 1 1 1 4 _ d f : - 0 . 0 1 i n : - 0 . 2 5 a m ( 0 . 8 8 ) l 2 . . l ( 0 . 4 4 ) F i n a l P u l l - o u t D i s t a n c e 0 1 I P u l l - o u t D i s t a n c e 0 0 . 2 0 . 4 m ( M ) ( S ) ( 1 0 ) P u l l - o u t L o a d 1 1 : ( N ) 6 - ' " F i b e r A n g l e o f I n c l i n a t i o n ( 1 . 3 2 ) o = 4 5 d e g r e e s ( m u m ! 1 f - 1 i n - 2 s . 4 n m 4 _ d f = - 0 . 0 1 i n - 0 . 2 5 m : ( 0 . 8 8 ) ¢ 2 — F i n a l l o a d ( 0 . 4 4 ) . ‘ / F i n a l _ ~ l P u l l - o u t D i s t a n c e 0 I I P u l l - o u t D i s t a n c e 0 0 . 2 0 . 4 m ( m ) ( 5 ) ( 1 0 ) P u l l - o u t : W o r k P e r F i b e o u t W o r k o f O n e F i b e r r P W / P u l l E - " 1 . 0 _ . 0 . 5 — _ 0 0 2 3 ( P u l l - 0 n . m I 0 . : n N / I 0 . 4 6 ( 2 ) 1 ) W o r k u m b e r o f i n c l u n e d f i b o e F i g u r e 9 . 8 : E f f e c t o f r s o n t h 2 o f F i b e r s V a n ? ) e i r p u l l - o u t 5 5 0 P e a k P u l l - o u t L o a d P e r F i b e r / P e a k P u l l - o u t L o a d o f ( h e F i b e r 1 . 0 . . . . . O 0 . 5 _ . o I N o . o f F i b e r s l m 2 ( / a n 2 ) 0 2 0 4 0 ( 3 . 1 ) ( 6 . 2 ) P u l l - O c t S t r e n g t h b e h a v i o r . 9 7 ' 9 9 ' 1 0 4 5 5 1 s l i p a t p e a k p u l l - o u t s t r e s s , D p , f r o m 0 . 0 0 8 t o 0 . 0 3 0 i n ( 0 . 2 0 t o 0 . 7 5 m m ) . T h e p e a k b o n d s t r e s s , T u , v a r i e s b e t w e e n 6 5 a n d 6 0 0 p s i ( 0 . 4 4 8 a n d 4 . 1 4 0 M P a ) f o r s i n g l e a l i g n e d f i b e r s , a n d i n c r e a s e s b y a b o u t 1 0 0 % f o r 6 0 ° i n c l i n e d f i b e r s . T h e a v a i l a b l e t e s t d a t a a r e n o t s u f f i c i e n t f o r a m e a n i n g f u l q u a n t i t a t i v e a s s e s s m e n t o f t h e e f f e c t s o f t h e n u m b e r o f fi b e r s p e r u n i t a r e a o n t h e a b o v e v a l u e s . I t i s , h o w e v e r , e x p e c t e d t h a t a l l t h e s e v a l u e s w i l l b e l e s s i n p u l l - o u t t e s t s o n m u l t i p l e fi b e r s . I n s t u d y i n g t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( R e f e r e n c e s 4 , 5 , 2 4 , 3 3 , 3 5 , 3 6 , 4 2 , 8 0 , 9 0 , 9 1 ) i t s h o u l d b e n o t i c e d t h a t , u n l i k e p l a i n e c o n c r e t e , t h e p o s t - c r a c k i n g a n d p o s t - p e a k n o n l i n e a r b e h a v i o r o f t h e m a t e r i a l i n t e n s i o n a r e o f m a j o r i m p o r t a n c e . H e n c e , i n f l e x u r a l t e s t s , t h e t e n s i l e s t r e s s e s c a n n o t b e a c c u r a t e l y o b t a i n e d u s i n g t h e e l a s t i c f o r m u l a t i o n , a n d r e l i a n c e s h o u l d b e m a d e o n d i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s f o r a s s e s s i n g t h e c o n s t i t u t i v e b e h a v i o r o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t e n s i o n . T h e r e a r e , h o w e v e r , o n l y l i m i t e d d i r e c t t e n s i o n t e s t d a t a r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e ( R e f e r e n c e s 3 3 , 3 5 , 3 6 , 4 2 , 8 0 ) . T y p i c a l s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s o b t a i n e d i n d i r e c t t e n s i o n t e s t s o n fi b e r r e i n f o r c e d m o r t a r a r e p r e s e n t e d i n F i g u r e 9 . 1 . F a i l u r e i n d i r e c t t e n s i o n t e s t s p e c i m e n s i s g e n e r a l l y d u e t o o p e n i n g o f o n e c r a c k ( R e f e r e n c e s 2 4 , 3 3 , 3 5 , 4 2 , 8 0 ) . T h e m a x i m u m i n c r e a s e i n p e a k t e n s i l e s t r e s s r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t i s a b o u t 5 0 % , a n d t h e m a x i m u m i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k , e u , i s a b o u t 3 0 % ( R e f e r e n c e 5 ) . T h e s e i n c r e a s e s a r e f u n c t i o n s o f v o l u m e f r a c t i o n a n d U 1 U 1 N a s p e c t r a t i o o f f i b e r s ( F i g u r e 9 . 9 ) . I t s h o u l d b e m e n t i o n e d t h a t d i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s h o w s l i g h t l y l a r g e r s t r e n g t h v a r i a t i o n s t h a n t h e c o r r e s p o n d i n g t e s t r e s u l t s o n p l a i n c o n c r e t e ( R e f e r e n c e s 3 3 , 3 5 , 4 2 ) . W N W D i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s d i s c u s s e d i n t h e e a r l i e r s e c t i o n h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e i n c r e a s e i n c o n c r e t e s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s , e u , r e s u l t i n g f r o m r e i n f o r c e m e n t b y s t e e l fi b e r s i s b e l o w 3 0 % . T h i s m e a n s t h a t t h e p e a k s t r e s s i s r e a c h e d a t a s t r a i n o f a b o u t 1 5 0 t o 2 0 0 m i c r o s t r a i n s ( R e f e r e n c e s 5 , 3 3 , 3 5 , 3 6 , 4 2 , 9 0 ) . A l s o , fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c r a c k s p r i o r t o r e a c h i n g i t s p e a k t e n s i l e s t r e s s , a n d t h e c r a c k w i d t h r e p r e s e n t s t h e d e g r e e o f m o b i l i z a t i o n o f t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e o f fi b e r s . H e n c e , i n o r d e r t o c h e c k t h e v a l i d i t y o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t , i t i s i m p o r t a n t t o a p p r o x i m a t e t h e c r a c k o p e n i n g s c o r r e s p o n d i n g t o t h e s t r a i n a t p e a k s t r e s s . C o n s e r v a t i v e l y a s s u m i n g t h a t i n t h e p o s t - c r a c k i n g r a n g e , t h e t e n s i l e s t r a i n s a r e m a i n l y c a u s e d b y o p e n i n g o f o n e c r a c k a s s h o w n i n F i g u r e 9 . 1 0 ( R e f e r e n c e s 2 4 , 3 3 , 3 5 , 3 6 , 4 2 , 8 0 ) , t h e m a x i m u m w i d t h a t p e a k s t r e s s c a n b e a p p r o x i m a t e d a s t h e i n c r e a s e i n s t r a i n a t p e a k s t r e s s r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t ( m a x i m u m o f a b o u t 5 0 m i c r o s t r a i n s ) t i m e s t h e g a g e l e n g t h ( a l o n g w h i c h t h e a v e r a g e s t r a i n i s m e a s u r e d , t y p i c a l l y 4 i n o r 1 0 2 m m ) . T h i s a p p r o a c h g i v e s t h e u p p e r b o u n d o f t h e c r a c k w i d t h , b e c a u s e i t n e g l e c t s t h e d i s p l a c e m e n t s a l o n g t h e g a g e l e n g t h c a u s e d t h e s t r a i n s o u t s i d e t h e m a j o r c r a c k a n d a s s u m e s t h a t a l l t h e d i s p l a c e m e n t a r e c o n c e n t r a t e d i n t h i s m a j o r c r a c k . T h e p u l l - o u t t e s t r e s u l t s . . . 4 3 z 1 0 o 0 — l o 0 — — . O . O Q . 0 O e 0 Q . 0 s O 0 v f u - f / d f ) m i s u s e I n S t r a i n ( s ) — - " 1 3 0 2 0 1 0 0 . g t h , P s i ( M P a ) ( ( ( ( 4 4 3 3 . . . . 5 1 8 5 ) ) ) ) a i n ( 1 0 * ) _ - _ — 3 S t _ - . — — ‘ — r 6 6 5 e 5 0 5 5 0 S 2 t 9 7 5 1 . 1 1 n 0 0 0 0 r 1 0 0 0 0 5 5 3 I n c r e a s e I n S t r e n g t h ( 8 ) F i g u r e 9 . 9 : I n c r e a s e i n p e a k t e n s i l e s t r e s s a n d s t r a i n a t p e a k s t r e s s r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t . 3 3 5 5 4 - T ‘ — C r a c k ‘ ( M a x i n u n ' t h ( h e C r a c k w i s T G a g e l e n g t h S l u m ) " J l F i g u r e 9 . 1 0 : C r a c k o p e n i n g i n d i r e c t t e n s i o n t e s t p r e s e n t e d e a r l i e r i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e a b o v e a s s u m p t i o n i m p l y t h a t t h e m a x i m u m c r a c k o p e n i n g w h e n t h e p e a k s t r e s s i s r e a c h e d i s o f t h e o r d e r o f 0 . 0 0 0 2 i n ( 0 . 0 0 5 m m ) , w h i l e i n f i b e r p u l l - o u t t e s t s , t h e p e a k l o a d o c c u r s a t a s l i p o f a b o u t 0 . 0 1 5 i n . ( 0 . 3 8 m m ) w h i c h i s t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n t h e m a x i m u m c r a c k o p e n i n g e x p e c t e d a t p e a k s t r e s s i n d i r e c t t e n s i o n t e s t s . T h i s m e a n s t h a t t h e f i b e r i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s e s a r e f a r b e l o w t h e i r p e a k v a l u e s , a n d t h e fi b e r p u l l - o u t m e c h a n i s m i s p r a c t i c a l l y i n e f f e c t i v e w h e n t h e p e a k t e n s i l e s t r e s s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s r e a c h e d . F o r e x a m p l e , f o r t h e t y p i c a l v a l u e s o f fi b e r p u l l - o u t s t i f f n e s s g i v e n e a r l i e r , a t t h e e s t i m a t e d 0 . 0 0 0 2 i n ( 0 . 0 0 5 m m ) c r a c k o p e n i n g o b t a i n e d w h e n t h e p e a k t e n s i l e s t r e s s i s r e a c h e d ( c o n s i d e r i n g t h e a v e r a g e n u m b e r o f fi b e r s c o r s s i n g a u n i t a r e a o f a c r a c k , t h e i r r a n d o m o r i e n t a t i o n a n d l o c a t i o n w i t h r e s p e c t t o t h e c r a c k a s p r e s e n t e d i n R e f e r e n c e s 1 0 , 9 3 , 1 0 5 ) i s o n l y 5 5 5 a b o u t 2 p s i ( 0 . 0 1 M P a ) f o r a 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t r a i g h t s t e e l fi b e r s w i t h a d i a m e t e r o f 0 . 0 1 5 i n ( 0 . 3 8 m m ) a n d a l e n g t h o f 1 . 5 i n ( 3 7 . 5 m m ) . T h e a b o v e c o n c l u s i o n c o n t r a d i c t s t h e b a s i c a s s u m p t i o n s u s e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t f o r p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A p p l y i n g t h i s c o n c e p t w i t h g = 0 ( s e e E q u a t i o n 9 . 2 ) i m p l i e s t h a t a t u l t i m a t e t e n s i l e s t r e s s , f i b e r s r e a c h t h e i r p e a k p u l l - o u t s t r e s s . W i t h 9 c l o s e t o 1 . 0 a l s o , r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f d i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s ( R e f e r e n c e s 3 4 , 9 2 , 9 4 ) h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s i n E q u a t i o n 9 . 2 s h o u l d b e c l o s e t o ( i f n o t l a r g e r t h a n ) i t s u l t i m a t e v a l u e f o r t h i s e q u a t i o n t o b e v a l i d . I t w a s , h o w e v e r , s h o w n t h a t t h e s t r a i n a t p e a k t e n s i l e s t r e s s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s f a r b e l o w t h e v a l u e s n e e d e d t o f u l l y m o b i l i z e t h e i n t e r f a c i a l b o n d s t r e s s o f fi b e r s . I n c a s e t h a t g i s a s s u m e d t o b e c l o s e t o 1 . 0 i n t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t ( E q u a t i o n 9 . 2 ) , a n o t h e r c o n t r a d i c t i o n a r i s e s f r o m t h e f a c t t h a t a t a c r a c k w i d e e n o u g h t o f u l l y a c t i v a t e fi b e r p u l l - o u t m e c h a n i s m , t h e o p e n i n g i s t o o l a r g e f o r c o n c r e t e t o b e s t i l l e f f e c t i v e i n r e s i s t i n g t e n s i o n . T h e p r e v i o u s d i s c u s s i o n i n d i c a t e s t h a t t h e n a t u r e o f b o n d b e t w e e n f i b e r s a n d c o n c r e t e i s n o t a k e y f a c t o r i n f l u e n c i n g t h e p e r c e n t a g e i n c r e a s e i n t h e c o n c r e t e t e n s i l e s t r e n g t h r e s u l t i n g f r o m fi b e r r e i n f o r c e m e n t . A t t h e r e l a t i v e l y l o w s t r a i n s c o r r e s p o n d i n g t o t h e p e a k t e n s i l e s t r e s s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . fi b e r s s e e m t o a c t m a i n l y a s b a r r i e r s a g a i n s t p r o p a g a t i o n o f m i c r o c r a c k s a n d o t h e r r e l a t i v e l y 5 5 6 n a r r o w c r a c k s . T h i s c o n c l u s i o n a g r e e s w i t h t h e p h i l o s o p h y o n t h e b a s i s o f w h i c h t h e s p a c i n g c o n c e p t f o r p r e d i c t i o n o f t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s d e v e l o p e d . M o r e s t u d i e s b a s e d o n t h e f r a c t u r e m e c h a n i c s c o n c e p t s e e m t o b e n e c e s s a r y f o r a c h i e v i n g a n i n - d e p t h u n d e r s t a n d i n g o f t h e e f f e c t s o f u n i f o r m l y d i s p e r s e d a n d r a n d o m l y o r i e n t e d s h o r t f i b e r s o n t h e i n i a t a t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f c r a c k s i n c e m e n t i t i o u s m a t r i c e s ( R e f e r e n c e 1 0 6 ) . A p p l i c a t i o n o f t h e s u r f a c e e n e r g y r a t h e r t h a n t h e s h e a r - b o n d s t r e n g t h a p p r o a c h t o i n t e r p r e t a t i o n o f t h e p u l l - o u t t e s t r e s u l t s a l s o w a r r a n t s c o n s i d e r a t i o n i n t h i s r e g a r d ( R e f e r e n c e 1 0 7 ) . W a l s h : A p p l i c a t i o n o f t h e c o m m o n l y u s e d c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t f o r p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i m p l i e s t h a t t h e f i b e r p u l l - o u t r e s i s t a n c e i s m o b i l i z e d t o a l a r g e e x t e n t w h e n t h e m a t e r i a l r e a c h e s i t s p e a k s t r e s s . F o r t h i s t o h a p p e n , a c c o r d i n g t o t h e r e p o r t e d p u l l - o u t t e s t r e s u l t s o n s t e e l f i b e r s , b o n d s l i p p a g e s o f t h e o r d e r o f 0 . 0 1 5 i n ( 0 . 3 8 m m ) n e e d t o t a k e p l a c e . D i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , h o w e v e r , i n d i c a t e t h a t t h e m a x i m u m c r a c k o p e n i n g s a t p e a k s t r e s s a r e o f t h e o r d e r o f 0 . 0 0 0 2 i n ( 0 . 0 0 5 m m ) , w h i c h i s f a r b e l o w t h e v a l u e s n e e d e d f o r a m e a n i n g f u l m o b i l i z a t i o n o f t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e o f f i b e r s . T h i s q u e s t i o n s t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t t o t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b e r r e i n f o c e d c o n c r e t e , a n d i n d i c a t e s t h a t t h e p u l l - o u t b e h a v i o r o f fi b e r s d o e s n o t p l a y a m a j o r r a t e w h e n t h e p e a k t e n s i l e s t r e s s i s r e a c h e d . C H A P T E R 1 0 W a s h e s A c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s c o n d u c t e d o n t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t fi b e r r e i n f o r c e m e n t p r o p e r t i e s a n d m a t r i x m i x v a r i a b l e s o n f r e s h m i x p e r f o r m a n c e a n d h a r d e n e d m a t e r i a l m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e a s s e s s e d . T h e s t a t i s t i c a l v a r i a t i o n s i n m a t e r i a l p r o p e r t i e s w e r e a l s o e s t a b l i s h e d . A n i n v e s t i g a t i o n w a s p e r f o r m e d o n t h e a p p l i c a t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e e t o l o a d b e a r i n g s t r u c t u r a l e l e m e n t s . T h e a d v a n t a g e s o f s t e e l fi b e r s i n i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e f o o t i n g s u n d e r b e a r i n g p r e s s u r e w e r e e x a m i n e d . T h e i n c r e a s e s i n s t r e n g t h a n d d u c t i l i t y o f t h e b o n d b e h a v i o r b e t w e e n d e f o r m e d r e i n f o r c i n g b a r s a n d c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t w e r e e v a l u a t e d . S o m e p o p u l a r t e c h n i q u e s f o r a n a l y t i c a l s i m u l a t i o n f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p e r f o r m a n c e u n d e r t e n s i l e s t r e s s s y s t e m s w e r e c r i t i c a l l y i n v e s t i g a t e d b a s e d o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e . S u g g e s t i o n s w e r e m a d e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f m o r e r e p r e s e n t a t i v e m o d e l s f o r t h e m e c h a n i s m o f a c t i o n o f s t e e l f i b e r s i n c o n c r e t e . T h e r e s e a r c h w a s p e r f o r m e d i n 8 p h a s e s : ( a ) e f f e c t s o f fi b e r v o l u m e f r a c t i o n a n d g e o m e t r y o n m a t e r i a l p e r f o r m a n c e ; ( 2 ) e f f e c t s o f f i b e r t y p e o n m a t e r i a l 5 5 7 5 5 8 p e r f o r m a n c e ; ( 3 ) p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t m a t r i x m i x p r o p o r t i o n s ; ( 4 ) a p p l i c a t i o n s o f p o z z o l a n i c m a t e r i a l s t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; ( 5 ) s t a t i s t i c a l v a r i t i o n s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p r o p e r t i e s ; ( 6 ) s t e e l fi b e r e f f e c t s o n c o n c r e t e f o o t i n g p e r f o r m a n c e u n d e r b e a r i n g p r e s s u r e : ( 7 ) b o n d b e t w e e n r e i n f o r c i n g b a r s a n d s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; a n d ( 8 ) a n a l y t i c a l s i m u l a t i o n o f s t e e l f i b e r a c t i o n i n c o n c r e t e . A s u m m a r y o f t h e a c t i v i t i e s u n d e r t a k e n i n e a c h p h a s e o f t h e r e s e a r c h t o g e t h e r w i t h t h e c o n c l u s i o n s d e r i v e d f r o m t h e o u t c o m e s a r e p r e s e n t e d b e l o w . E a d n r m a n s a A n e x p e r i m e n t a l p r o g r a m w a s p e r f o r m e d o n t h e e f f e c t s o f t h e l e n g t h , d i a m e t e r , v o l u m e f r a c t i o n a n d t y p e s o f s t e e l f i b e r s o n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r I r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n t h e f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s . T h e fi b e r t y p e s c o n s i d e r e d w e r e s t r a i g h t , c r i m p e d a n d h o o k e d , w i t h l e n g t h s r a n g i n g f r o m 1 . 5 t o 2 . 5 i n ( 3 8 t o 6 3 m m ) , d i a m e t e r s f r o m 0 . 0 2 t o 0 . 0 3 5 i n ( 0 . 3 t o 0 . 8 m m ) r e s u l t i n g i n a s p e c t r a t i o s f r o m 4 3 t o 1 0 0 , a n d v o l u m e f r a c t i o n f r o m 0 . 5 t o 3 % . T h e m i x p r o p o r t i o n s h a d a w a t e r - b i n d e r r a t i o p f 0 . 4 , a f l y a s h - b i n d e r r a t i o o f 0 . 3 ( w h i c h w a s d e c i d e d i n o t h e r p h a s e s o f t h e p r o j e c t t o b e t h e o p t i m u m fl y a s h c o n t e n t i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ) , a n a g g r e g a t e - b i n d e r r a t i o 4 . 0 , a c o a r s e - t o - f i n e a g g r e g a t e r a t i o o f 1 . 0 , a m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e o f 3 / 4 i n ( 1 9 m m ) , a n d a s u p e r p l a s t i c i z e r ( l i q u i d ) - b i n d e r r a t i o o f 0 . 0 1 5 b y w e i g h t . T h e f r e s h m i x w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s 5 5 9 s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . T h e h a r d e n e d m a t e r i a l , f o l l o w i n g 7 d a y s o f m o i s t c u r i n g a n d 2 1 d a y s o f a i r d r y i n g , w a s t e s t e d i n c o m p r e s s i o n a n d f l e x u r e . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t h e t e s t d a t a g e n e r a t e d i n t h i s i n v e s t i g a t i o n : 1 . T h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y t e n d s t o b e d a m a g e d b y t h e i n c r e a s e i n f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x ( fi b e r v o l u m e f r a c t i o n t i m e s f i b e r a s p e c t r a t i o ) , a t a r a t e w h i c h i s c o m p a r a b l e f o r d i f f e r e n t f i b e r t y p e s . 2 . A t a s p e c i fi c fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x , c r i m p e d fi b e r s p r o d u c e c o n c r e t e s w i t h s l i g h t l y h i g h s l u m p s , w h i l e s t r a i g h t fi b e r s g e n e r a t e m i x t u r e s w i t h s l i g h t l y l o w e r i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s . H o o k e d f i b e r s p r o d u c e s l u m p s c o p a r a b l e w i t h s t r a i g h t fi b e r s , b u t g i v e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e s w h i c h a r e s l i g h t l y h i g h e r t h a n t h o s e o f s t r a i g h t a n d c r i m p e d f i b e r s . 3 . T h e f i r s t c r a c k a n d u l t i m a t e fl e x u r a l l o a d s , a n d t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s ( p r e - a n d p o s t - p e a k ) , o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d e x u p t o a v a l u e o f a b o u t 1 . 5 a n d t h e n s t a r t s t o d e c r e a s e f o r h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s d u e t o t h e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y p r o b l e m s . 4 . H o o k e d fi b e r s , e s p e c i a l l y a t h i g h e r fi b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , g i v e fl e x u r a l s t r e n g t h s s u p e r i o r t o t h o s e o b t a i n e d w i t h s t r a i g h t a n d c r i m p e d fi b e r s . 5 6 0 5 . S t e e l fi b e r r e i n f o r c e m e n t h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e . T h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r s o n e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y , h o w e v e r , s e e m t o b e m o r e p r o n o u n c e d . 6 . H i g h f i b e r r e i n f o r c e m e n t i n d i c e s , d u e t o t h e i r d a m a g e t o t h e c o m p a c t i b i l i t y o f f r e s h m i x t u r e s w h i c h l e a d s t o h i g h e n t r a p p e d a i r c o n t e n t s , t e n d t o r e d u c e t h e p r e - p e a k s t i f f n e s s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d i n c r e a s e t h e s t r a i n a t . p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s . 1 f F r T n M r l l P r f r m n A n e x p e r i m e n t a l s t u d y w a s p e r f o r m e d t o a s s e s s t h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r t y p e o n m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s . T h e f r e s h fi b r o u s c o n c r e t e w a s c h a r a c t e r i z e d b y i t s s l u m p , i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d s u b j e c t i v e w o r k a b i l i t y . F o r t h e h a r d e n e d m a t e r i a l , fl e x u r a l l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e s a n d c o m p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n r e l a t i o n s h i p s w e r e u s e d a s r e p r e s e n t a t i v e o f i m p o r t a n t m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l . T h e fi b e r s i n c l u d e d i n t h i s s t u d y w e r e s t r a i g h t - r o u n d , c r i m p e d - r o u n d , c r i m p e d - r e c t a n g u l a r , h o o k e d s i n g l e a n d h o o k e d - c o l l a t e d fi b e r s a t a s p e c t r a t i o s r a n g i n g f r o m 5 7 t o 6 0 , a n d s t r a i g h t - r o u n d a n d a n d h o o k e d - c o l l a t e d fi b e r s a t a s p e c t r a t i o s r a n g i n g f r o m 7 2 t o 7 5 . A l l t h e fi b r o u s m i x e s i n c o r p o r a t e d a 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t e e l fi b e r s . T h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s c o u l d b e d e r i v e d f r o m t e s t r e s u l t s : 1 . T h e i n c l u s i o n o f fi b e r s d a m a g e s t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h c o n c r e t e a n d t h i s e f f e c t 5 6 1 i s m o r e p r o n o u n c e d f o r fi b e r s w i t h h i g h e r a p s e c t r a t i o s . T h e e f f e c t s o f fi b e r t y p e s o n f r e s h m i x w o r k a b i l i t y , a s r e p r e s e n t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e a n d t h e s u b j e c t i v e m e a s u r e , s e e m t o b e i n s i g n i fi c a n t . C r i m p e d f i b e r s r e s u l t i n s l i g h t l y h i g h e r s l u m p v a l u e s t h a n s t r a i g h t a n d h o o k e d fi b e r s . 2 . A t a n a s p e c t r a t i o o f a b o u t 6 0 a n d fi b e r v o l u m e f r a c t i o n o f 2 % , c r i m p e d fi b e r s ( c i r c u l a r o r r e c t a n g u l a r ) g e n e r a t e f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s w h i c h a r e i n f e r i o r t o t h o s e o f s t r a i g h t f i b e r s . b u t h o o k e d fi b e r s r e s u l t i n h i g h e r f l e x u r a l s t r e n g t h s a n d s i m i l a r f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t i e s w h e n c o m p a r e d w i t h s t r a i g h t f i b e r s . H o o k e d f i b e r s a r e s u p e r i o r t o s t r a i g h t o n e s i n e n h a n c i n g t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e a t fi b e r a s p e c t r a t i o o f a b o u t 7 5 w h e n a d d e d t o c o n c r e t e a t 2 % v o l u m e f r a c t i o n . 3 . H o o k e d a r e m o r e e f f e c t i v e t h a n s t r a i g h t a n d c r i m p e d f i b e r s i n e n h a n c i n g t h e t o t a l e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y u n d e r c o m p r e s s i v e s t r e s s e s . S t r a i n a t p e a k c o m p r e s s i v e s t r e s s a l s o i n c r e a s e s w i t h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t , e s p e c i a l l y w h e n h o o k e d fi b e r s a r e u s e d . T h e i n c r e a s e i n t o u g h n e s s o f c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m s t e e l f i b e r r e i n f o r c e m e n t i s n o t s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e f i b e r t y p e . T h e e f f e c t o f fi b e r r e i n f o r c e m e n t o n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s r e l a t i v e l y s m a l l a n d d i f f e r e n t fi b e r t y p e s s e e m t o a c t s i m i l a r l y i n t h i s r e g a r d . 5 6 2 T h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t m a t r i x m i x v a r i a b l e s o n t h e f r e s h m i x w o r k a b i l t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w e r e i n v e s t i g a t e d . A t y p i c a l fi b r o u s m i x t u r e w i t h a r e l a t i v e l y h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n w a s u s e d a s a “ b a s i c “ m i x f o r t h i s i n v e s t i g a t i o n . T h e g e n e r a t e d t e s t d a t a i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d s t o i m p r o v e w i t h t h e i n c r e a s e i n b i n d e r ( c e m e n t : f l y a s h . 0 . 7 : 0 . 3 ) c o n t e n t . T h e r e a r e a l s o i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e r e s u l t i n g f r o m t h e i n c r e a s e i n b i n d e r c o n t e n t . T h e c o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e , h o w e v e r , s e e m s t o b e l a r g e l y i n d e p e n d e n t o f t h e b i n d e r c o n t e n t . 2 . T h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e t e n d s t o i m p r o v e t h e c o m p a c t i b i l i t y a n d t h e o v e r a l l w o r k a b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e r e i s a l s o s o m e t e n d e n c y i n t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e t o i m p r o v e w i t h t h e i n c r e a s e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e . C o m p r e s s i v e p e r f o r m a n c e i s l e a s t i n f l u e n c e d b y t h e c h a n g e i n s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e . 3 . T h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o t e n d s t o i m p r o v e t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h f i b r o u s m i x t u r e s . I t s h o u l d , h o w e v e r , b e n o t e d t h a t e x c e s s i v e w a t e r c o n t e n t s m a y p r o d u c e f l u i d c o n c r e t e m a t r i c e s i n w h i c h t h e s t e e l fi b e r s t e n d t o s e t t l e d o w n . T h e i n c r e a s e i n w a t e r - b i n d e r r a t i o r e s u l t s i n a d r o p i n c o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e c o r r e s p o n d i n g d a m a g e t o t h e c o m p r e s s i v e e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e o v e r a l l f l e x u r a l p e r f o r m a n c e a r e , h o w e v e r , l e s s o b v i o u s . 4 . T h e w o r k a b i l i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i m p r o v e s w i t h i n c r e a s i n g a g g r e g a t e s i z e ( w i t h i n t h e r a n g e o f v a r i a b l e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y ) . T h e i n c r e a s e i n m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e a l s o r e s u l t s i n a s l i g h t i n c r e a s e i n f l e x u r a l s t r e n g t h a n d s o m e m o r e i m p o r t a n t i m p r o v e m e n t s i n t h e f l e x u r a l e n e r g y a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l s e e m s t o b e l a r g e l y i n d e p e n d e n t o f t h e m a x i m u m a g g r e g a t e s i z e i n t h e m i x t u r e s c o n s i d e r e d i n t h i s s t u d y . 5 . T h e r e i s a n o p t i m u m a g g r e g a t e g r a d a t i o n t h e d e v i a t i o n f r o m w h i c h t o w a r d s c o a r s e r o r f i n e r g r a d a t i o n d a m a g e s t h e w o r k a b i l i t y a n d fl e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e o p t i m u m g r a d a t i o n w a s o b t a i n e d i n t h i s s t u d y b y t h e u s e o f c o a r s e - t o - f i n e a g g r e g a t e r a t i o o f 1 . 0 . 6 . T h e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s i n c r e a s e s a t a d e c r e a s i n g r a t e w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e d o s a g e o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t . D e s i r a b l e e n t r a i n e d a i r c o n t e n t s f o r r e s i s t a n c e a g a i n s t f r e e z e - t h a w c y c l e s c a n b e a c h i e v e d b y t h e u s e o f d o s a g e s o f a i r e n t r a i n i n g a g e n t w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h o s e r e c o m m e n d e d f o r c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e . 5 6 4 I D I E I I I i [ E l i l l l ' I I S l l E l H I ! I g e n e r a l : T h e e f f e c t o f t h e s i l i c a f u m e a n d t h e c l a s s F f l y a s h c o n t e n t s o n t h e p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n f r e s h a n d h a r d e n e d s t a t e s w e r e i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l y . F r o m t h e r e s u l t s i t w a s c o n c l u d e d t h a t : 1 . T h e c o m p a c t i b i l i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a s i n d i c a t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s , i s n o t m u c h i n fl u e n c e d b y t h e i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o a v a l u e o f a b o u t 0 . 1 0 . H i g h e r s i l i c a f u m e c o n t e n t s , h o w e v e r , a d v e r s e l y i n f l u e n c e t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x . 2 . T h e f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o a v a l u e o f a b o u t 0 . 1 0 ; b e y o n d w h i c h t h e e f f e c t s o f s i l i c a f u m e o n t h e s e a s p e c t s o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l b e h a v i o r t e n d t o b e r e v e r s e d . 3 . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g s i l i c a f u m e - b i n d e r r a t i o u p t o s i l i c a f u m e r a t i o o f 0 . 1 0 . F u r t h e r i n c r e a s e i n s i l i c a f u m e c o n t e n t h a s r e l a t i v e l y s m a l l e f f e c t s o n t h e c o m p r e s s i v e b e h a v i o r o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 4 . F o r t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s u s e d i n t h i s s t u d y , s u b s t i t u t i o n o f 1 0 % o f c e m e n t w i t h s i l i c a f u m e g a v e t h e b e s t r e s u l t s a s f a r a s t h e w o r k a b i l i t y o f 5 6 5 f r e s h m i x a n d t h e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a p c i t y o f t h e h a r d e n e d m a t e r i a l u n d e r t h e a c t i o n o f fl e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e l o a d s a r e c o n c e r n e d . 5 . S u b s t i t u t i o n o f c e m e n t w i t h c l a s s F f l y a s h i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s o f t h i s s t u d y g e n e r a l l y h a d p o s i t i v e e f f e c t s o n t h e w o r k a b i l i t y o f f r e s h m i x a s r e p r e s e n t e d b y t h e i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e t e s t r e s u l t s . i t . i f " “ ‘ " 3 6 . T h e 2 8 - d a y f l e x u r a l s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a p c i t y o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s o f t h i s s t u d y t e n d t o i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f l y a s h - b i n d e r r a t i o u p t o a b o u t 0 . 3 . t h e i n c r e a s e i n f l y a s h - b i n d e r r a t i o f r o m 0 . 3 t o 0 . 4 , h o w e v e r , a d v e r s e l y i n f l u e n c e d t h e f l e x u r a l p e r f o r m a n c e o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . 7 . S u b s t i t u t i o n o f u p t o 2 0 % o f c e m e n t w i t h f l y a s h i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x e s o f t h i s s t u d y r e s u l t e d i n i m p r o v e d 2 8 o a y c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e n e r g y a b s o r p t i o n c a p a c i t y o f t h e m a t e r i a l . H i g h e r f l y a s h c o n t e n t s , h o w e v e r , s t a r t t o h a v e a d v e r s e e f f e c t s o n c o m p r e s s i v e c h a r a c t e r i s t i c s . 8 . T h e i n c r e a s e i n f l y a s h c o n t e n t l e d t o s o m e r e d u c t i o n s i n t h e a i r c o n t e n t o f s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s . 9 . S u b s t i t u t i o n o f m o r e t h a n 2 0 % o f c e m e n t w i t h f l y a s h t r e n d s t o r e d u c e t h e r a t e o f c o m p r e s s i v e s t r e n g t h d e v e l o p m e n t i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . A f t e r 5 6 6 2 8 — d a y s , h o w e v e r , t h e c o m p r e s i v e s t r e n g t h s o f m i x e s w i t h f l y a s h - b i n d e r r a t i o s a s h i g h a s 0 . 4 0 w e r e c l o s e t o t h a t o f t h e m i x w i t h 0 % fl y a s h c o n t e n t s . 1 0 . T h e o p t i m u m f l y a s h - b i n d e r r a t i o i n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x t u r e s o f t h i s s t u d y , f o r a c h i e v i n g d e s i r a b l e f r e s h m i x w o r k a b i l i t y a n d h a r d e n e d m a t e r i a l f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e p r o p e r t i e s w a s i n t h e r a n g e o f 0 . 2 0 t o 0 . 3 0 . F l y a s h s h o u l d b e a c c o m p a n i e d w i t h a n a i r e n t r a i n i n g a g e n t i n a p p l i c a t i o n t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c o n d i t i o n s w h e r e f r e e z e - t h a w d u r a b i i t y i s o f c o n c e r n . T h s u s e o f m o r e t h a n 2 0 % fl y a s h - b i n d e r r a t i o s l e a d t o a l o w e r r a t e s o f s t r e n g t h d e v e l o p m e n t i n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e . W W W E m m a : T h e r e s u l t s o f a s t a t i s t i c a l s t u d y o n t h e f l e x u r a l a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s , a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e o f a t y p i c a l s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e m i x w i t h a r e l a t i v e l y h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n w e r e p r e s e n t e d . T h e l i m i t e d t e s t r e s u l t s g e n e r a t e d i n t h i s s t u d y i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t r e s u l t s s h o w e d v a r i a t i o n s s i m i l a r t o t h o s e e x p e c t e d i n p l a i n c o n c r e t e . 2 . T h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t i m e t e s t r e s u l t s s h o w e d r e l a t i v e l y h i g h v a r i a t i o n s i n d i c a t i n g t h a t t h e s t a t i s t i c a l a s p e c t s o f t h e q u a l i t y 5 6 7 c o n t r o l p r o c e d u r e s d e v e l o p e d f o r p l a i n c o n c r e t e m a y h a v e t o b e m o d i f i e d f o r a p p l i c a t i o n t o s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s w i t h r e l a t i v e l y h i g h fi b e r v o l u m e f r a c t i o n s . 3 . T h e o b s e r v e d d i s t r i b u t i o n s o f c o m p r e s s i v e a n d i n v e r t e d s l u m p c o n e t e s t r e s u l t s f o l l o w e d r a t h e r c l o s e l y t h e n o r m a l d i s t r i b u t i o n . T h i s c o n c l u s i o n , h o w e v e r , c o u l d n o t b e d e r i v e d f o r t h e f l e x u r a l s t r e n g t h t e s t r e s u l t s . W T h e r e s u l t s o f a n e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a n d fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s i n t h e c o n d i t i o n o f c o n c r e t e f o o t i n g s w e r e p r e s e n t e d . A t h e o r e t i c a l a p p r o a c h w a s u s e d t o p r e d i c t t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d t h e r e s u l t s w e r e c o m p a r e d w i t h t h e g e n e r a t e d t e s t d a t a . I t w a s c o n c l u d e d t h a t : 1 . T h e f a i l u r e m o d e o f c o n c r e t e a n d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s r e s u l t s f r o m p u n c h i n g o u t o f a c o n c r e t e c o n e f r o m b e n e a t h t h e b e a r i n g a r e a , w h i c h p r o d u c e s s p l i t t i n g c r a c k s i n t h e c o n c r e t e b l o c k . T h e s p l i t t i n g c r a c k p a t t e r n i s d i f f e r e n t i n c o n c r e t e f r o m fi b e r c o n c r e t e , b u t i n b o t h c a s e s , t h e s e c r a c k s s t a r t f r o m t h e v i c i n i t y o f t h e b e a r i n g a r e a . 2 . F i b e r r e i n f o r c e m e n t o f c o n c r e t e f o o t i n g s a t t h e i r f u l l d e p t h a n d a l s o a t a t o p 5 6 8 l a y e r u n d e r n e a t h t h e b e a r i n g a r e a , c a n e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e b e a r i n g s t r e n g t h a n d e s p e c i a l l y t h e d u c t i l i t y o f f a i l u r e u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s . T h e a p p l i c a t i o n o f fi b e r s a t a t o p l a y e r c a n p r o v i d e r e s u l t s w h i c h a r e c o m p a r a b l e t o t h e s e o b t a i n e d w i t h f u l l d e p t h fi b e r r e i n f o r c e m e n t . 3 . D o w e l b a r s d o n o t s e e m t o m a k e a s i g n i fi c a n t c o n t r i b u t i o n t o t h e r e s i s t a n c e o f p l a i n c o n c r e t e u n d e r b e a r i n g p r e s s u r e . T h e s e b a r s , h o w e v e r , t e n d t o b e m o r e e f f e c t i v e w h e n a t o p l a y e r o f c o n c r e t e u n d e r t h e b e a r i n g a r e a i s r e i n f o r c e d w i t h s t e e l f i b e r s . 4 . T h e f a i l u r e m o d e l s a n d t h e o r e t i c a l f o r m u l a t i o n s d e v e l o p e d f o r p r e d i c t i n g t h e b e a r i n g s t r e n g t h o f c o n c r e t e c a n b e a p p l i e d t o fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w h e n d u e c o n s i d e r a t i o n i s g i v e n t o t h e c h a n g e s i n c o n c r e t e t e n s i l e a n d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h s a n d a n g l e o f i n t e r n a l f r i c t i o n r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t . T h e c u r r e n t t h e o r i e s , h o w e v e r , c a n n o t p r e d i c t t h e i m p r o v e m e n t s i n d u c t i l i t y o f b e h a v i o r u n d e r b e a r i n g s t r e s s e s r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s r e p o r t e d i n t h i s c h a p t e r o n m o n o t o n i c l o c a l b o n d b e h a v i o r i s fi b r o u s c o n c r e t e j o i n t s i n d i c a t e d t h a t : 1 . T h e u l t i m a t e b o n d r e s i s t a n c e i n c o n fi n e d c o n c r e t e i n c r e a s e s b y a b o u t 5 5 % d u e 5 6 9 t o r e i n f o r c e m e n t b y 2 % v o l u m e f r a c t i o n o f s t r a i g h t r o u n d s t e e l fi b e r s w i t h a n a s p e c t r a t i o o f 5 7 . T h e r e a l s o w a s a 1 4 0 % i n c r e a s e i n t h e f r i c t i o n a l b o n d r e s i s t a n c e r e s u l t i n g f r o m f i b e r r e i n f o r c e m e n t . 2 . T h e l o c a l b o n d b e h a v i o r i s n o t s i g n i f i c a n t l y i n fl u e n c e d b y v a r i a t i o n s i n t h e a m o u n t o f t r a n s v e r s e r e i n f o r c e m e n t i n f i b e r r e i n f o r c e d j o i n t s , a s l o n g a s s u f f i c i e n t v e r t i c a l b a r s a r e p r o v i d e d f o r r e s t r a i n i n g t h e b o n d s p l i t t i n g c r a c k s . 3 . I n u n c o n f i n e d c o n c r e t e s p e c i m e n s h a v i n g n o r e i n f o r c e m e n t f o r r e s t r a i n i n g t h e s p l i t t i n g c r a c k s , t h e a p p l i c a t i o n o f f i b e r s i n c r e a s e s t h e l o c a l b o n d u l t i m a t e s t r e n g t h ( w h i c h , l i k e i n t h e c a s e o f p l a i n c o n c r e t e , i s t h e s t r e n g t h r e a c h e d a t s p l i t c r a c k i n g ) . a n d p r o v i d e s s o m e p o s t - p e a k r e s i s t a n c e . 1 . A n l t i l i r n l i n f l F l b r A t i n i n n r A p p l i c a t i o n o f t h e c o m m o n l y u s e d c o m p o s i t e m a t e r i a l c o n c e p t f o r p r e d i c t i n g t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i m p l i e s t h a t t h e f i b e r p u l l - o u t r e s i s t a n c e i s m o b i l i z e d t o a l a r g e e x t e n t w h e n t h e m a t e r i a l r e a c h e s i t s p e a k s t r e s s . F o r t h i s t o h a p p e n , a c c o r d i n g t o t h e r e p o r t e d p u l l - o u t t e s t r e s u l t s o n s t e e l fi b e r s , b o n d s l i p p a g e s o f t h e o r d e r o f 0 . 0 1 5 i n ( 0 . 3 8 m m ) n e e d t o t a k e p l a c e . D i r e c t t e n s i o n t e s t r e s u l t s o n s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , h o w e v e r , i n d i c a t e t h a t t h e m a x i m u m c r a c k o p e n i n g s a t p e a k s t r e s s a r e o f t h e o r d e r o f 0 . 0 0 0 2 i n ( 0 . 0 0 5 m m ) , w h i c h i s f a r b e l o w t h e v a l u e s n e e d e d f o r a m e a n i n g f u l m o b i l i z a t i o n o f t h e p u l l - o u t r e s i s t a n c e o f fi b e r s . T h i s q u e s t i o n s t h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e c o m p o s i t e 5 7 0 m a t e r i a l c o n c e p t t o t h e u l t i m a t e t e n s i l e s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o c e d c o n c r e t e , a n d i n d i c a t e s t h a t t h e p u l l - o u t b e h a v i o r o f f i b e r s d o e s n o t p l a y a m a j o r r a t e w h e n t h e p e a k t e n s i l e s t r e s s i s r e a c h e d . R E F E R E N C E S 1 . J o h n s t o n , C . , ” S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r a n d C o n c r e t e : A R e v i e w o f M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s , " A C l P u b l i c a t i o n S P . 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 1 2 7 - 1 4 2 . 2 . F a n e l l a , D . a n d N a a m a n , A . , " S t r e s s - S t r a i n P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r i n C o m p r e s s i o n , ” A C l J o u r n a l , V o l . 8 2 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t , 1 9 8 5 , p p . 4 7 5 - 4 8 3 . 3 . H u g h e s , B . a n d F a t t u h i , N . , ” L o a d - D e f l e c t i o n C u r v e s f o r F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s i n F l e x u r e , " M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 9 , N o . 1 0 1 , D e c e m b e r , 1 9 7 7 , p p . 1 9 9 - 2 0 6 . 4 . A C l C o m m i t t e e 5 4 4 , ” S t a t e - o f - t h e - A r t R e p o r t o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” R e p o r t : A C l 5 4 4 . 1 R - 8 2 , A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , M a y , 1 9 8 2 , 1 6 p p . 5 . H a n n a n t , D . J . , ” F i b e r C e m e n t s a n d F i b e r C o n c r e t e s , “ J o h n W i l e y 8 . S o n s , L t d . , 1 9 7 8 , 2 1 9 p p . 6 . N i s h i o k a , K . , K a k i m i , N . , Y a m a k a w a , S . a n d S h i r a k a w a , K . , ” E f f e c t i v e A p p l i c a t i o n s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( L o n d o n ) , V o l . 1 , 1 9 7 5 , p p . 4 2 5 - 4 3 3 . 5 7 1 5 7 2 7 . R a m a k r i s h n a n , V . , C o y l e , W . , K u l a n d a i s a m y , V . , a n d S c h r a d e r , E . , ” P e r f o r m a n c e C h a r a c t e r i s t i c s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e s w i t h L o w F i b e r C o n t e n t s , ” A C l J o u r n a l , V o l . 7 8 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r , 1 9 8 1 , p p . 3 8 8 - 3 9 4 . 8 . R a m a k r i s h n a n , V . , B r a n d s h a u g , T . , C o y l e , W . a n d S c h r a d e r , E . , ” A C o m p a r a t i v e E v a l u a t i o n o f C o n c r e t e R e i n f o r c e d w i t h S t r a i g h t S t e e l F i b e r s a n d F i b e r s w i t h D e f o r m e d E n d s G l u e d T o g e t h e r i n t o B u n d l e s , ” A C I J o u r n a l , V o l . 7 7 , N o . 3 , M a y - J u n e , 1 9 8 0 , p p . 1 3 5 - 1 4 3 . 9 . A C ) C o m m i t t e e 5 4 4 , " M e a s u r e m e n t o f t h e P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” A C l J o u r n a l , V o l . 7 5 , N o . 7 , J u l y , 1 9 7 8 , p p . 2 8 3 - 2 8 9 . 1 0 . R a m a u l d i , J . a n d M a n d e l , . l . , " T e n s i l e S t r e n g t h o f C o n c r e t e A f f e c t e d b y U n i f o r m l y D i s t r i b u t e d a n d C l o s e l y S p a c e d S h o r t L e n g t h s o f W i r e R e i n f o r c e m e n t , " A C l J o u r n a l , V o l . 6 1 , N o . 6 , J u n e , 1 9 6 4 , p p . 6 5 7 - 6 7 0 . 1 1 . L a n k a r d , 0 . , ” O p e n i n g P a p e r : F i b e r C o n c r e t e A p p l i c a t i o n s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( L o n d o n ) , V o l . 1 , 1 9 7 5 , p p . 3 - 1 9 . 1 2 . N a g a m j , T . , a n d D w a r a k a n a t h , H . , " S t r u c t u r a l R e s p o n s e o f P a r t i a l l y F i b r o u s C o n c r e t e B e a m s , " A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 1 0 , N o . S T 1 1 , N o v e m b e r , 1 9 8 4 , p p . 2 7 9 8 - 2 8 1 2 . 5 7 3 1 3 . D a v e , N . , O ' L e a r y , D . a n d S a u n d e r s , J . , ” S t r u c t u r a l U s e o f F i b r o u s C e m e n t i n C o m p o s i t e C o n c r e t e C o n s t r u c t i o n , ” A C l ’ P u b l i c a t i o n S P - 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 5 1 1 - 5 3 2 . 1 4 . M a l m b e r g , B . a n d S k a r e n d a h l , A . , ” M e t h o d o f S t u d y i n g t h e C r a c k i n g o f F i b e r C o n c r e t e U n d e r R e s t r a i n e d S h r i n k a g e , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 1 7 3 - 1 7 9 . 1 5 . S w a m y , R . , a n d S t r a v r i d e s , H . , " I n f l u e n c e o f F i b e r R e i n f o r c e m e n t o n R e s t r a i n e d S h r i n k a g e a n d C r a c k i n g , " A C I J o u r n a l , V o l . 7 6 , N o . 3 , M a r c h , 1 9 7 9 . p p . 4 4 3 - 4 6 0 . 1 6 . A C I C o m m i t t e e 5 4 4 , ” G u i d e f o r S p e c i f y i n g , M i x i n g , P l a c i n g , a n d F i n i s h i n g S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 8 1 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l , 1 9 8 4 , ' p p . 1 4 0 - 1 4 8 . 1 7 . S w a m y , R . , a n d M a n g a t , P . , " I n f l u e n c e o f F i b e r G e o m e t r y o n t h e P r o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , “ C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 4 , N o . 3 , M a r c h , 1 9 7 4 , p p . 4 5 1 - 4 6 5 . ' 1 8 . S w a m y , R . , M a n g a t , P . a n d R a o , C . , " T h e M e c h a n i c s o f F i b e r R e i n f o r c e m e n t o f C e m e n t M a t r i c e s , ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 1 - 2 8 . 5 7 4 1 9 . H u g h e s , B . a n d F a t t u h i , N . , " T h e W o r k a b i l i t y o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , “ M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 8 , N o . 9 6 , S e p t e m b e r , 1 9 7 6 . p p . 1 5 7 - 1 6 1 . 2 0 . H u g h e s , B . a n d F a t t u h i , N . , ” A s s e s s i n g t h e W o r k a b i l i t y o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 . p p . 5 7 - 6 0 . 2 1 . G i a c c i o , G . , G i o v a m b a t t i s t a , A . a n d Z e r b i n o , R . , “ C o n c r e t e R e i n f o r c e d w i t h C o l l a t e d S t e e l F i b e r s : I n f l u e n c e o f S e p a r a t i o n , " A C l J o u r n a l , V o l . 8 3 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l , 1 9 8 6 . p p . 2 3 2 - 2 3 5 . 2 2 . M o e n s , J . a n d N e m e g e e r , D . , ” F l e x u r a l S t r e n g t h o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e T e s t B e a m s , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 3 8 9 - 3 9 7 . 2 3 . J o h n s t o n , C . , ” T o u g h n e s s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , U . S . - S w e d e n J o i n t S e m i n a r o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( S t o c k h o l m ) , J u n e 3 - 5 , 1 9 8 5 . p p . 3 3 3 - 3 6 0 . 2 4 . S h a h , S . a n d R a n g a n , 8 . , ” F i b e r R e i n f r o c e d C o n c r e t e P r o p e r t i e s , ” A C I J o u r n a l , V o l . 6 8 , N o . 2 , F e b r u a r y , 1 9 7 1 , p p . 1 2 6 - 1 3 5 . 5 7 5 2 5 . " V e e - B e e C o n s i s t o m e t e r T y p e V B R , “ O p e r a t i o n I n s t r u c t i o n s , S o i l T e s t , I n c . , 1 9 8 6 , 3 p p . 2 6 . E l - R e f a i , F . , a n d M o r s e y , E . , " S o m e P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e w i t h S u p e r p l a s t i c i z e r , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) . J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 3 . 2 , 9 p p . 2 7 . ” 1 9 8 7 A n n u a l B o o k o f A S T M S t a n d a r d s , “ S e c t i o n 4 : C o n s t r u c t i o n , V o l . 4 . 0 2 : C o n c r e t e a n d M i n e r a l A g g r e g a t e s , A S T M , 1 9 8 7 , 9 1 2 p p . 2 8 . N a a m a n , A . , " F i b e r R e i n f o r c e m e n t f o r C o n c r e t e . ” C o n c r e t e l n t e m a t i o n a l , V o l . 7 , N o . 3 , M a r c h , 1 9 8 5 , p p . 2 1 - 2 5 . 2 9 . O t t e r , D . a n d N a a m a n , A . ” S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r S t a t i c a n d C y c l i c C o m p r e s s i v e L o a d i n g , “ P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 3 . 1 0 , 8 p p . 3 0 . S o r o u s h i a n , P . a n d L e e , C . , ” S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e u n d e r C o m p r e s s i o n : P e r f o r m a n c e C h a r a c t e r i s t i c s a n d C o n s t i t u t i v e M o d e l i n g , " T e c h n i c a l A r t i c l e S u b m i t t e d f o r P u b l i c a t i o n t o t h e A C I M a t e r i a l s J o u r n a l . 5 7 6 3 1 . W i l l i a m s o n , ( 3 . , ” E f f e c t o f S t e e l F i b e r s o n t h e C o m p r e s s i v e S t r e n g t h o f C o n c r e t e , ” A C l P u b l i c a t i o n S P - 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 1 9 5 - 2 0 8 . 3 2 . G o p a l a r a t n a m , V . , a n d S h a h , S . , " M i c r o m e c h a n i c a l M o d e l f o r t h e T e n s i l e F r a c t u r e o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , “ P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 1 . 3 , 1 0 p p . 3 3 . J o h n s t o n , C . a n d C o l e m a n , R . , " P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r i n U n i a x i a l T e n s i o n , ” A C l P u b l i c a t i o n S P - 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 1 7 7 - 1 9 3 . 3 4 . M a n g a t , P . , ” T e n s i l e S t r e n g t h o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , “ C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 6 . N o . 2 , A p r i l , 1 9 7 6 , p p . 2 4 5 - 2 5 2 . 3 5 . J o h n s t o n , C . a n d G a r y , R . , " U n i a x i a l T e n s i l e T e s t i n g o f S t e e l F i b e r R e i n f r o c e d C e m e n t i t i o u s C o m p o s i t e s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 4 5 1 - 4 6 1 . 3 6 . H u g h e s , B . a n d F a t t u h i , N . , ” F i b e r R e i n f r o c e d C o n c r e t e U n d e r D i r e c t T e n s i o n . " P r o c e e d i n g s , I C E C o n f e r e n c e o n F i b e r R e i n f o r c e d M a t e r i a l s : D e s i g n a n d E n g i n e e r i n g A p p l i c a t i o n s ( L o n d o n ) , M a r c h 2 3 - 2 4 , 1 9 7 7 , p p . 1 2 7 - 1 3 3 . 5 7 7 3 7 . T o n s , E . , G o e t z , R . a n d R a z i , M . , " F l y A s h a s A s p h a l t R e d u c e r i n B i t u m i n o u s B a s e C o a r s e s , " P r o j e c t R e p o r t , D i v i s i o n o f R e s e a r c h D e v e l o p m e n t a n d A d m i n i s t r a t i o n , U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n , J u n e , 1 9 8 3 , 6 1 p p . 3 8 . " T h e D a r a c e m A d v a n t a g e , ” P r o d u c t I n f o r m a t i o n B r o c h u r e , G r a c e C o n s t r u c t i o n P r o d u c t s , 1 9 8 6 , 6 p p . 3 9 . " C o n c r e t e C y l i n d e r C o m p r e s s o m e t e r - E x t e n s o m e t e r : M o d e l C T - 1 6 7 , ” O p e r a t i o n a n d S e r v i c e I n s t r u c t i o n s , S o i l T e s t , I n . , 1 9 8 6 , 9 p p . 4 0 . S n y d e r , M . a n d L a n k a r d , 0 . , " F a c t o r s A f f e c t i n g t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f S t e e l F i b r o u s C o n c r e t e , " A C I J o u r n a l , V o l . 6 9 , N o . 2 , F e b r u a r y , 1 9 7 2 , p p . 9 6 - 1 0 0 . 4 1 . S w a m y , R . , “ S t e e l F i b e r C o n c r e t e f o r B r i d g e D e c k a n d B u i l d i n g F l o o r A p p l i c a t i o n s , ” U . S . - S w e d e n J o i n t S e m i n a r o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( S t o c k h o l m ) , J u n e 3 - 5 , 1 9 8 5 , p p . 4 4 3 - 4 7 8 . 4 2 . S h a h , S . , S t r o e v e n , P . , D a l h u i s e n , D . a n d S t e k e l e n b u r g , P . , ” C o m p l e t e S t r e s s - S t r a i n C u r v e s f o r S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e i n U n i a x i a l T e n s i o n a n d C o m p r e s s i o n , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 3 9 9 - 4 0 8 . 4 3 . R o b i n s , P . a n d A u s t i n , 8 . , “ M e l t E x t r a c t F i b e r - A N e w I m p e t u s f o r S t e e l F i b e r 5 7 8 S p r a y e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f fi e l d ) , J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 3 . 7 , 8 p p . 4 4 . S a k a i , M . a n d N a k a m u r a , N . , “ A n a l y s i s o f F l e x u r a l B e h a v i o r o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f f i e l d ) , J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 1 . 4 , 8 p p . 4 5 . N a r a y a n a n , R . a n d K a r e e m - P a l a n j i a n , A . , " F a c t o r s I n fl u e n c i n g t h e S t r e n g t h o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n D e v e l o p m e n t s i n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( S h e f fi e l d ) , J u l y 1 3 - 1 7 , 1 9 8 6 , V o l . 1 , N o . 3 . 1 , 8 p p . 4 6 . H u g h e s , B . , ” D e s i g n o f P r e s t r e s s s e d F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s f o r I m p a c t , “ A C I J o u r n a l , V o l . 7 8 , N o . 4 , J u l y - A u g u s t , 1 9 8 1 , p p . 2 7 6 - 2 8 1 . 4 7 . T a t r o , S . , " T h e E f f e c t o f S t e e l F i b e r s o n t h e T o u g h n e s s P r o p e r t i e s o f L a r g e A g g r e g a t e C o n c r e t e , ” M S . T h e s i s , P u r d u e U n i v e r s i t y , D e c e m b e r , 1 9 8 5 , 1 1 3 p p . 4 8 . R a m a k r i s h n a n , V . a n d S r i n i v a s a n , V . , ” S i l i c a F u m e i n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” T h e I n d i a n C o n c r e t e J o u r n a l , V o l . 5 6 , N o . 1 2 , D e c e m b e r , 1 9 8 2 , p p . 3 2 6 - 3 3 4 . 5 7 9 4 9 . B a l a g u r u , P . a n d R a m a k r i s h n a n , V . , ” P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e : W o r k a b i l i t y , B e h a v i o r U n d e r L o n g - T e r m L o a d i n g , a n d A i r - V o i d C h a r a c t e r i s t i c s , " A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 5 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 8 8 , p p . 1 8 9 - 1 9 6 . 5 0 . B a l a g u r u , P . a n d R a m a k r i s h n a n , V . , ” F r e e z e - T h a w D u r a b i l i t y o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” A C I J o u r n a l , V o l . 8 3 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 8 6 , p p . 3 7 4 - 3 8 2 . 5 1 . R a m a k r i s h n a n , V . , C o y l e , W . , K o p a c , P . a n d P a r k o , T . , “ P e r f o r m a n c e C h a r a c t e r i s t i c s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d S u p e r p l a s t i c i z e d C o n c r e t e , ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 6 8 : D e v e l o p m e n t s i n t h e U s e o f S u p e r p l a s t i c i z e r s , 1 9 8 1 , p p . 5 1 5 - 5 3 4 . 5 2 . ” D a r e x C o n c r e t e A d m i x t u r e s : D a r a v a i r , ” P r o d u c t l n f o r r n a t i o n B r o c h u r e , G r a c e C o n s t r u c t i o n P r o d u c t s , 1 9 8 0 , 1 p p . 5 3 . A C I C o m m i t t e e 2 2 6 , “ U s e o f F l y A s h i n C o n c r e t e , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 4 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 8 7 , p p . 3 8 1 - 4 0 9 . 5 4 . S w a m y , R . , A l i , S . a n d T h e o d o r a k o p o u l o s , 0 . , " E n g i n e e r i n g P r o p e r t i e s o f C o n c r e t e C o m p o s i t e M a t e r i a l s I n c o r p o r a t i n g F l y A s h a n d S t e e l F i b e r s , “ A C I P u b l i c a t i o n S P - 7 9 : F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r M i n e r a l B y - P r o d u c t s I n C o n c r e t e , V o l . 1 , 1 9 8 3 . p p . 5 5 9 - 5 8 8 . 5 8 0 5 5 . V i r t a n e n , J . , " F r e e z e - T h a w R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e C o n t a i n i n g B l a s t - F u m a c e S l a g , F l y A s h o r C o n d e n s e d S i l i c a F u m e , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 7 9 : F l y A s h . S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r M i n e r a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e , V o l . 2 , 1 9 8 3 , p p . 9 2 3 - 9 4 2 . 5 6 . P o p o v i c s , 8 . , ” S t r e n g t h R e l a t i o n s h i p s f o r F l y A s h C o n c r e t e , ” A C I J o u r n a l , V o l . 7 9 , N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y 1 9 8 2 , p p . 4 3 - 4 9 . 5 7 . B o r d o n a d o , G . a n d N i s s o u x , J . , ” R o a d B u i l d i n g C o n c r e t e s I n c o r p o r a t i n g F l y A s h o r S l a g , ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 7 9 : F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d O t h e r M i n e r a l B y - P r o d u c t s i n C o n c r e t e , V o l . 1 , 1 9 8 3 , p p . 4 7 1 - 4 9 3 . 5 8 . A C I C o m m i t t e e 2 2 6 , ” S i l i c a F u m e i n C o n c r e t e , “ A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 4 , N o . 2 , M a r c h - A p r i l 1 9 8 7 , p p . 1 5 8 - 1 6 6 . 5 9 . M e h t a , P . , ” C o n c r e t e S t r u c t u r e , P r o p e r t i e s a n d M a t e r i a l s , “ P r e n t i c e - H a l l , I n c . , 1 9 8 6 , 4 5 0 p p . 6 0 . R o b i n s , P . a n d A u s t i n s , 8 . , ” B o n d o f L i g h t - W e i g h t A g g r e g a t e C o n c r e t e I n c o r p o r a t i n g C o n d e n s e d S i l i c a F u m e , “ A C I P u b l i c a t i o n S P - 9 1 : F l y A s h , S i l i c a F u m e , S l a g a n d N a t u r a l P o s s o l a n s i n C o n c r e t e , V o l . 2 , 1 9 8 6 , p p . 9 4 1 - 9 4 8 . 6 1 . " M i c r o s i l i c a - T y p i c a l A n a l y s i s , ” P r o d u c t l n f o r r n a t i o n S h e e t s , E l k e m 5 8 1 C h e m i c a l s , 1 9 8 4 , 2 p p . 6 2 . S w a m y , R . a n d S t a v r i d e s , H . , “ S o m e S t a t i s t i c a l C o n s i d e r a t i o n s o f S t e e l F i b e r C o m p o s i t e s , " C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 6 , N o . 2 , F e b r u a r y 1 9 7 6 , p p . 2 0 1 - 2 1 6 . 6 3 . T a y l o r , W . , " C o n c r e t e T e c h n o l o g y a n d P r a c t i c e , " A m e r i c a n E l s e v i e r P u b l i s h i n g C o m p a n y , I n c . , 1 9 6 5 , 6 6 7 p p . 6 4 . A C I C o m m i t t e e 3 1 8 , “ B u i l d i n g C o d e R e q u i r e m e t n s f o r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ( A C I 3 1 8 - 8 3 ) , ” A m e r i c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e , 1 9 8 3 , 1 1 1 p p . 6 5 . S c h e a f f e r . R . a n d M c C l a v e , J . , ” S t a t i s t i c s f o r E n g i n e e r s , ” D u x b u r y P r e s s , 1 9 8 2 , 4 7 5 p p . 6 6 . S o r o u s h i a n , P . , A h m a d i , P . , N a v a s , F . a n d H a j i , M . , ” T r a n s f e r o f C o l u m n P r e s s u r e t o C o n c r e t e F o o t i n g s , ” C o n c r e t e l n t e m a t i o n a l , V o l . 8 , N o . 1 2 , D e c e m b e r 1 9 8 6 . p p . 3 8 - 4 2 . 6 7 . H a w k i n s , N . , ” T h e B e a r i n g S t r e n g t h o f C o n c r e t e L o a d e d T h r o u g h R i g i d P l a t e s , " M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 0 , N o . 6 2 , M a r c h 1 9 6 8 , p p . 3 1 - 4 0 . 6 8 . C h e n , W . a n d D r u c k e r , D . , “ B e a r i n g C a p a c i t y o f C o n c r e t e B l o c k s o r R o c k s . " 5 8 2 A S C E J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s D i v i s i o n , V o l . 9 5 , N o . E M 4 , A u g u s t 1 9 6 9 , p p . 9 5 5 - 9 7 8 . 6 9 . B o r t o l o t t i , L . , ” D o u b l e - P u n c h T e s t f o r T e n s i l e a n d C o m p r e s s i v e S t r e n g t h s i n C o n c r e t e , “ A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 5 , N o . 1 , J a n u a r y - F e b r u a r y , 1 9 8 8 . p p - 2 6 - 3 2 . 7 0 . H a w k i n s , N . , " T h e B e a r i n g S t r e n g t h o f C o n c r e t e L o a d e d T h r o u g h F l e x i b l e P l a t e s , ” M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 0 , N o . 6 3 , J u n e 1 9 6 8 , p p . 9 5 - 1 0 2 . 7 1 . S o r o u s h i a n , P . , O b a s e k i , K . a n d R o j a s , M . , " B e a r i n g S t r e n g t h a n d S t i f f n e s s o f C o n c r e t e U n d e r R e i n f o r c i n g B a r s , ” A C I M a t e r i a l s J o u r n a l , V o l . 8 4 , N o . 3 , M a y - J u n e , 1 9 8 7 , p p . 1 7 9 - 1 8 4 . 7 2 . H a w k i n s , N . , " T h e B e a r i n g S t r e n g t h o f C o n c r e t e f o r S t r i p L o a d i n g , “ M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 2 , N o . 7 1 , J u n e 1 9 7 0 , p p . 8 7 - 9 8 . 7 3 . C h e n , W . a n d C a r s o n , J . , " B e a r i n g C a p a c i t y o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 4 4 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 7 4 , p p . 2 0 9 - 2 2 0 . 7 4 . M u r r a y , D . , C h i t n u y a n o n d h , L . , R a j u b - A g h a , K . a n d W o n g . C . , “ C o n c r e t e P l a s t i c i t y T h e o r y f o r B i a x i a l S t r e s s A n a l y s i s , ” A S C E J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s D i v i s i o n , V o l . 1 0 5 , N o . E M 6 , D e c e m b e r , 1 9 7 9 , p p . 9 8 9 - 1 0 0 6 . 5 8 3 7 5 . N i y o g i , S . a n d D w a r a k a n a t h a n , 6 . , “ F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e U n d e r M o m e n t a n d S h e a r , ” A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 1 1 , S T 3 , M a r c h 1 9 8 5 . D P . 5 1 6 - 5 2 7 . 7 6 . J i n d a l , R . , ” S h e a r a n d M o m e n t C a p a c t i t i e s o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s . ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 8 1 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 8 4 , p p . 1 - 1 6 . 7 7 . S w a m y , R . a n d B a h i a , H . , “ T h e E f f e c t i v e n e s s o f S t e e l F i b e r s a s S h e a r R e i n f o r c e m e n t , ” C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l , V o l . 7 , N o . 3 , M a r c h 1 9 8 5 . p p . 3 5 - 4 0 . 7 8 . B a t s o n , G . , J e n k i n s , E . a n d S p a t n e y , R . , " S t e e l F i b e r s a s S h e a r R e i n f o r c e m e n t i n B e a m s , " A C I J o u r n a l , V o l . 6 9 , N o . 1 0 , O c t o b e r 1 9 7 2 , p p . 6 4 0 - 6 4 4 . 7 9 . P a r a m e s w a r a n , V . , K r i s h n a m o o r t h y , T . , B a l a s u b r a m a n i a n , K . a n d L a k s h m a n a n , N . , “ B e h a v i o r o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s w i t h E q u a l T e n s i o n a n d - C o m p r e s s i o n R e i n f o r c e m e n t , ” P r o c e e d i n g s , I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ( M a d r a s ) , D e c e m b e r 1 9 8 7 , p p . 1 . 5 7 - 1 . 6 7 . 8 0 . W a l k u s , B . , J a n u s z k i e w i c z , A . a n d J e r u z a l , J . , “ C o n c r e t e C o m p o s i t e s w i t h C u t S t e e l F i b e r R e i n f o r c e m e n t S u b j e c t e d t o U n i a x i a l T e n s i o n , “ A C I J o u r n a l , V o l . 7 6 , N o . 1 0 , O c t o b e r 1 9 7 9 , p p . 1 0 7 9 - 1 0 9 2 . 5 8 4 8 1 . L a w s , V . a n d W a l t o n , P . , " T h e T e n s i l e - B e n d i n g R e l a t i o n s h i p f o r F i b e r R e i n f o r c e d B r i t t l e M a t r i c e s , " P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 4 2 9 - 4 3 8 . 8 2 . C r a i g , R . M a h a d e v , S . , P a t e l , C . , V i t e r i , M . a n d K e r t e s z , C . , " B e h a v i o r o f J o i n t s U s i n g R e i n f o r c e d F i b r o u s C o n c r e t e , " A C I P u b l i c a t i o n S P - 8 1 : F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , 1 9 8 4 , p p . 1 2 5 - 1 6 7 . 8 3 . H e n a g e r , C . , " S t e e l F i b r o u s D u c t i l e J o i n t f o r S e i s m i c - R e s i s t a n t S t r u c t u r e s , ” A C I P u b l i c a t i o n S P - 5 3 : R e i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e s i n S e i s m i c Z o n e s , 1 9 7 7 , p p . 3 7 1 - 3 8 6 . 8 4 . F i l i p p o u , F . , P o p o v , E . a n d B e r t e r o , V . , ” E f f e c t o f B o n d D e t e r i o r a t i o n o n H y s t e r e t i c B e h a v i o r o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e J o i n t , " R e p o r t N o . U B C / E E R C - 8 3 / 1 9 , ' E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a a t B e r k e l e y , A u g u s t 1 9 8 3 , 1 8 4 p p . 8 5 . V i w a t h a n a t e p a , S . , P o p o v , E . a n d B e r t e r c , V . , ” E f f e c t s o f G e n e r a l i z e d L o a d i n g s o n B o n d o f R e i n f o r c i n g B a r s E m b e d d e d i n C o n f i n e d C o n c r e t e B l o c k s , " R e p o r t N o . U B C / E E R C - 7 9 / 2 2 , E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a a t B e r e k e l y , A u g u s t 1 9 7 9 , 2 9 3 p p . 8 6 . O b a s e k i , K . , " C y c l i c D o w e l A c t i o n a n d P u l l - o u t B e h a v i o r o f B e a m 5 8 5 R e i n f o r c e m e n t a t R e i n f o r c e d C o n c r e t e J o i n t s , “ P h . D . T h e s i s , D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 8 5 . 2 0 8 p p . 8 7 . E l i g e h a u s e n , R . , P o p o v , E . a n d B e r t e r o , V . , ” L o c a l B o n d S t r e s s - S l i p R e l a t i o n s h i p s o f D e f o r m e d B a r s U n d e r G e n e r a l i z e d E x c i t a t i o n s , ” R e p o r t N o . U C B / E E R C - 8 3 / 2 3 , E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r , U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a a t B e r k e l e y , O c t o b e r 1 9 8 3 , 1 6 9 p p . 8 8 . S w a m y , R . a n d A I - N o o r i , K . , " B o n d S t r e n g t h o f S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , " C o n c r e t e , V o l . 8 , N o . 8 , A u g u s t 1 9 7 4 , p p . 3 6 - 3 7 . 8 9 . C h o i , K . , ” A n c h o r a g e o f B e a m R e i n f o r c e m e n t a t C o n v e n t i o n a l a n d F i b r o u s B e a m - C o l u m n C o n n e c t i o n s , ” P h . D . D i s s e r t a t i o n , D e p a r t m e n t o f C i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g , M i c h i g a n S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 8 8 , 1 7 4 p p . 9 0 . G o p a l a r a t n a m , V . a n d S h a h , S . , ” S o f t e n i n g R e s p o n s e o f P l a i n C o n c r e t e i n D i r e c t T e n s i o n , ” A C I J o u r n a l , V o l . 8 2 , N o . 3 , M a y - J u n e 1 9 8 5 , p p . 3 1 0 - 3 2 3 . 9 1 . P a k o t i p r a p h a , B . , P a m a , R . , a n d L e e , 8 . , ” M e c h a n i c a l P r o p e r t i e s o f C e m e n t M o r t a r w i t h R a n d o m l y O r i e n t e d S h o r t S t e e l W i r e s , “ M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 6 , N o . 8 6 , M a r c h 1 9 7 4 , p p . 3 - 1 5 . 9 2 . S w a m y , R . a n d M a n g a t , P . , ” A T h e o r y f o r t h e F l e x u r a l S t r e n g t h o f S t e e l F i b e r 5 8 6 R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 4 , N o . 2 , 1 9 7 4 , p p . 3 1 3 - 3 2 5 . 9 3 . S w a m y , R . a n d A l - T a a n , S . , ” D e f o r m a t i o n a n d U l t i m a t e S t r e n g t h i n F l e x u r e o f R e i n f o r c e d C o n c r e t e B e a m s M a d e w i t h S t e e l F fl ) e r C o n c r e t e , ” A C I J o u r n a l , V o l . 7 8 , N o . 5 , S e p t e m b e r - O c t o b e r 1 9 8 1 , p p . 3 9 5 - 4 0 5 . 9 4 . S w a m y , R . a n d M a n g a t , P . , " T h e l n t e r f a c i a l B o n d S t r e s s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t C o m p o s i t e s , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 6 , N o . 5 . S e p t e m b e r 1 9 7 6 , p p . 6 4 1 - 6 5 0 . 9 5 . H e n a g e r , C . a n d D o h e r t y , T . , " A n a l y s i s o f R e i n f o r c e d F i b r o u s C o n c r e t e B e a m s , " A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 0 2 , N o . S T 1 , J a n u a r y 1 9 7 6 . p p . 1 7 7 - 1 8 8 . 9 6 . M a a g e , M . , " F i b e r B o n d a n d F r i c t i o n i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , “ P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 . P P . 3 2 9 - 3 3 6 . 9 7 . N a a m a n , A . a n d S h a h , 8 . , ” B o n d S t u d i e s o n O r i e n t e d a n d A l i g n e d S t e e l F i b e r s , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n F i b e r R e i n f o r c e d C e m e n t a n d C o n c r e t e ( L o n d o n ) , V o l . 1 , 1 9 7 5 , p p . 1 7 1 - 1 7 8 . 5 8 7 9 8 . S t r o e v e n , P . H a a n , Y . , B o u t e r , C . a n d S h a h , S . , " P u l l - o u t T e s t s o f S t e e l F i b e r s , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f fi e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 3 4 5 - 3 5 3 . 9 9 . N a a m a n , A . a n d S h a h , S . , ” P u l l - o u t M e h c a n i s m i n S t e e l F i b e r - R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 0 2 , N o . S T 8 , A u g u s t 1 9 7 6 . p p . 1 5 3 7 - 1 5 4 8 . 1 0 0 . T a t t e r s a l l , G . a n d U r b a n o w i c z , C . , ” B o n d S t r e n g t h i n S t e e l - F r b e r - R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 6 , N o . 8 7 , J u n e 1 9 7 4 , p p . 1 0 5 - 1 1 3 . 1 0 1 . G r a y , R . a n d J o h n s t o n , C . , " T h e M e a s u r e m e n t o f F i b e r - M a t r i x l n t e r f a c i a l B o n d S t r e n g t h i n S t e e l F i b e r - R e i n f o r c e d C e m e n t i t i o u s C o m p o s i t e s , “ P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 . p p . 3 1 7 - 3 2 8 . 1 0 2 . B u r a k i e w i c z , A . , ” T e s t i n g o f F i b e r B o n d S t r e n g t h i n C e m e n t M a t r i x , ” P r o c e e d i n g s , R I L E M S y m p o s i u m o n T e s t i n g a n d T e s t M e t h o d s o f F i b e r C e m e n t C o m p o s i t e s ( S h e f f i e l d ) , 1 9 7 8 , p p . 3 5 5 - 3 6 5 . 1 0 3 . H u g h e s , B . a n d F a t t u h i , N . , ” F i b e r B o n d S t r e n g t h s i n C e m e n t a n d C o n c r e t e , " M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 2 7 , N o . 9 2 , S e p t e m b e r 1 9 7 5 , p p . 1 6 1 - 1 6 6 . 5 8 8 1 0 4 . M a a g e , M . , ” S t e e l F i b e r b o n d S t r e n g t h s i n C e m e n t B a s e d M a t r i x e s I n fl u e n c e d b y S u r f a c e T r e a t m e n t s , ” C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h , V o l . 7 , N o . 1 1 , N o v e m b e r 1 9 7 7 . p p . 7 0 3 - 7 1 0 . 1 0 5 . R a h i m i , M . a n d K e s l e r , C . , “ P a r t i a l l y S t e e l - F i b e r R e i n f o r c e d M o r t a r , " A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 0 5 , N o . S T 1 , J a n u a r y 1 9 7 9 , p p . 1 0 1 - 1 0 9 . 1 0 6 . J e n g , Y . a n d S h a h , 8 . , ” C r a c k P r o p a g a t i o n i n F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e , ” A S C E J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n , V o l . 1 1 2 , N o . 1 , J a n u a r y , 1 9 8 6 , p p . 1 9 - 3 4 . 1 0 7 . S t a n g , H . a n d S h a h , 8 . , " F a i l u r e o f F i b e r R e i n f o r c e d C o m p o s i t e s b y P u l l - O u t F r a c t u r e , " J o u r n a l o f M a t e r i a l S c i e n c e , V o l . 2 1 , N o . 3 , M a r c h 1 9 8 6 . p p . 9 5 3 - 9 5 7 .