The effect of basalt and polypropylene fibers on the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams is investigated in this paper. The compressive and tensile behaviors of the basalt concrete and polypropylene concrete cylinders are also investigated. Eight beams and 28 cylinders were made with different percentages of basalt and polypropylene fibers. The dosages of fiber were selected as 0.6%, 1.3%, and 2.5% of the total cement weight. Each type of fiber was mixed solely with the concrete mix. Basalt and polypropylene fibers are modern and cheap materials that can be used to improve the structural behavior of RC members. This research is designed to find the optimum percentage of basalt and polypropylene fibers for enhancing the flexural behavior of RC beams. Test results showed that the addition of basalt and polypropylene fibers in any dosage (0.6%, 1.3%, and 2.5%) can increase the flexural strength and displacement ductility index of the beams where the maximum enhancement was measured with 1.3% fibers. The maximum increments in the flexural strength and the displacement ductility index were 30.39% and 260% for the basalt fiber case, while the maximum improvement for the polypropylene fibers case was 55.5% and 230% compared to the control specimen. Finite element (FE) models were then developed in ABAQUS to predict the numerical behaviour of the tested beams. The FE models were able to predict the experimental behaviour with reasonable accuracy. This research confirms the efficiency of basalt and polypropylene fibers in enhancing the flexural behavior of RC beams, and it also suggests the optimum dosage of fibers.
Fracture energy is one of the key parameters reveal cracking resistance and fracture toughness of concrete. The main purpose of this study is to determine fracture behavior, mechanical properties and microstructural analysis of high strength basalt fiber reinforced concrete (HSFRC). For this purpose, three-point bending tests were performed on notched beams produced using HSFRCs with 12 mm and 24mm fiber length and 1, 2 and $3kg/m^3$ fiber content in order to determine the value of fracture energy. Fracture energies of the notched beam specimens were calculated by analyzing load versus crack mouth opining displacement curves by the help of RILEM proposal. The results show that the effects of basalt fiber content and fiber length on fracture energy are very significant. The splitting tensile and flexural strength of HSFRC increased with increasing fiber content whereas a slight drop in flexural strength was observed for the mixture with 24mm fiber length and $3kg/m^3$ fiber content. On the other hand, there was no significant effect of fiber addition on the compressive strength and modulus of elasticity of the mixtures. In addition, microstructural analysis of the three components; cement paste, aggregate and basalt fiber were performed based on the Scanning Electron Microscopy and Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy examinations.
Zhang, Yitian;Shan, Bo;Kang, Thomas H.K.;Xiao, Yan
Steel and Composite Structures
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v.38
no.2
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pp.165-176
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2021
Existing research on confined concrete filled steel tubular (CCFT) columns has been mainly focused on static or cyclic loading. In this paper, square section CCFT and CFT columns were tested under both static and impact loading, using a 10,000 kN capacity compression test machine and a drop weight testing equipment. Research parameters included bonded and unbonded fiber reinforced polymer (FRP) wraps, with carbon, basalt and glass FRPs (or CFRP, BFRP, and GFRP), respectively. Time history curves for impact force and steel strain observed are discussed in detail. Experimental results show that the failure modes of specimens under impact testing were characterized by local buckling of the steel tube and cracking at the corners, for both CCFT and CFT columns, similar to those under static loading. For both static and impact loading, the FRP wraps could improve the behavior and increase the loading capacity. To analyze the dynamic behavior of the composite columns, a finite element, FE, model was established in LS-DYNA. A simplified method that is compared favorably with test results is also proposed to predict the impact load capacity of square CCFT columns.
Yu H. Yang;Sheng J. Jin;Chang C. Shi;Wen P. Ma;Jia K. Zhao
Advances in concrete construction
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v.16
no.6
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pp.277-290
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2023
In order to study the mechanical properties of basalt fiber reinforced ultra-fine fly ash concrete (BFUFARC), the effects of ultra-fine fly ash (UFA) content, basalt fiber content, basalt fiber length and water reducing agent content on the compressive strength, splitting tensile strength and flexural strength of the composite material were studied through experimental and theoretical analysis. Also, a scanning electron microscope (SEM) was employed to analyze the mesoscopic structure in the fracture surface of composite material specimens at magnifications of 500 and 3500. Besides, the energy release rate (Gc) and surface free energy (γs) of crack tip cracking on BFUFARC in different basalt fiber content were studied from the perspective of fracture mechanics. Further, the cracking resistance, reinforcement, and toughening mechanisms of basalt fibers on concrete substrate were revealed by surface free energy of BFUFARC. The experimental results indicated that basalt fiber content is the main influence factor on the splitting tensile strength of BFUFARC. In case that fiber content increased from 0 to 0.3%, the concrete surface free energy at the tip of single-sided crack showed a trend of increased at first and then decreased. The surface free energy reached at maximum, about 3.59 × 10-5 MN/m. During the process of increasing fiber content from 0 to 0.1%, GC-2γS showed a gradually decreasing trend. As a result, an appropriate amount of basalt fiber can play a preventing cracking role by increasing the concrete surface free energy, further effectively improve the concrete splitting tensile performance.
This study was evaluated that fundamental quality properties in the mortar level, as part of a basic study for development of fiber reinforced concrete using basalt fiber. Mortar mixtures used in the experiments used the mortar using cement only and high volume fly ash mortar using fly ash of 50%, was evaluated by comparison. As a experiments results, high volume fly ash mortar using 50% fly ash was effective for improving fiber dispersibility than mortar using cement only, accordingly, it showed that fiber aggregation phenomenon has been greatly reduced. In addition, if the fly ash used much more than 50%, the compressive strength has been shown to decrease of about 30%, fiber length and mixing ratio of basalt fiber was found to have a greater effect on flow properties than mechanical properties.
In order to study the axial compression performance of basalt-fiber reinforced recycled concrete (BFRRC) filled circular steel tubular short columns, the axial compression performance tests of seven short column specimens were conducted to observe the mechanical whole-process and failure mode of the specimens, the load-displacement curves and the load-strain curves of the specimens were obtained, the influence of design parameters on the axial compression performance of BFRRC filled circular steel tubular short columns was analyzed, and a practical mathematical model of stiffness degradation and a feasible stress-strain curve equation for the whole process were suggested. The results show that under the axial compression, the steel tube buckled and the core BFRRC was crushed. The load-axial deformation curves of all specimens show a longer deformation flow amplitude. Compared with the recycled coarse aggregate (RCA) replacement ratio and the basalt fiber dosage, the BFRRC strength has a great influence on the peak bearing capacity of the specimen. The RCA replacement ratio and the BFRRC strength are detrimental to ductility, whereas the basalt fiber dosage is beneficial to ductility.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.14
no.1
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pp.1-7
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2011
Basalt originates from volcanic magma and flood volcanoes, a very hot fluid or semifluid material under the earth's crust, solidified in the open air. Basalt is a common term used for a variety of volcanic rocks, which are gray, dark in colour, formed from the molten lava after solidification. Recently, attention has been devoted to continuous basalt fibers (CBF) whose primary advantage consists in their low cost, good resistance to acids and solvents, and good thermal stability. In order to investigate reinforcement effect, this paper did FEM analysis with shell element. The result were as follows; BCF deck plate did elastic behavior to 450 kN, reinforcement effect of basalt fiber (BF) was less. But BCF's perpendicular deflection occurred little about 23 mm comparing with RC deck plate in load 627 kN. Stiffness was very improved by basalt fiber reinforcement.
Concrete structures become more common in railway systems with an advancement of high speed train technologies. As the service life of concrete structures increases, structural strengthening for concrete structures may be necessary. There are several typical strengthening techniques using steel plate and fiber reinforced polymer (FRP) materials, which have their own inherent shortcomings. In order to enhance greater durability and resistance to fire and other environmental attacks, basalt fiber material attracts engineer's attention due to its characteristics. This study investigates bonding performance of basalt fiber sheet as a structural strengthening material. Experimental variables include bond width, length and number of layer. From the bonding tests, there were three different types of bonding failure modes: debonding, rupture and rip-off. Among the variables, bond width indicated more significant effect on bonding characteristics. In addition the bond length did not contribute to bond strength in proportion to the bond length. Hence this study evaluated effective bond length and effective bond strength. The effective bond strength was compared to those suggested by other researches which used different types of FRP strengthening materials such as carbon FRP.
Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute
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v.2
no.4
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pp.345-353
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2014
This study was evaluated influence of fluidity properties according to basalt fiber and high volume fly ash in the mortar level, as part of a basic study for development of fiber reinforced concrete using basalt fiber and high volume fly ash. In the first step, it was evaluated that fluidity properties of mortar according to replacement ratio 6 level of fly ash(10, 20, 30, 40, 50 and 60mass%) and fluidity properties of mortar according to content 5 levels of SP(1.3, 1.5, 1.7, 1.9 and 2.1%) and content 5 levels of VA(0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0%) for dispersion of the basalt fiber, in the second step, it was evaluated that fluidity properties of mortar using High-volume fly ash (50mass%) on 3 levels of basalt fiber length (6, 20 and 30mm). Results of assessment, if after a fiber mixed, it showed that viscosity agent is more effective to improve the fluidity and fiber dispersion than superplasticizer, high volume fly ash (50%) applying the mixing, due to three properties of fly ash, showed that the improved fiber dispersibility and flow improvement.
To study the eccentric compressive performance of the basalt-fiber reinforced recycled aggregate concrete (BFRRAC)-filled circular steel tubular stub column, 8 specimens with different replacement ratios of recycled coarse aggregate (RCA), basalt fiber (BF) dosage, strength grade of recycled aggregate concrete (RAC) and eccentricity were tested under eccentric static loading. The failure mode of the specimens was observed, and the relationship curves during the entire loading process were obtained. Further, the load-lateral displacement curve was simulated and verified. The influence of the different parameters on the peak bearing capacity of the specimens was analyzed, and the finite element analysis model was established under eccentric compression. Further, the design-calculation method of the eccentric bearing capacity for the specimens was suggested. It was observed that the strength failure is the ultimate point during the eccentric compression of the BFRRAC-filled circular steel tubular stub column. The shape of the load-lateral deflection curves of all specimens was similar. After the peak load was reached, the lateral deflection in the column was rapidly increased. The peak bearing capacity decreased on enhancing the replacement ratio or eccentric distance, while the core RAC strength exhibited the opposite behavior. The ultimate bearing capacity of the BFRRAC-filled circular steel tubular stub column under eccentric compression calculated based on the limit analysis theory was in good agreement with the experimental values. Further, the finite element model of the eccentric compression of the BFRRAC-filled circular steel tubular stub column could effectively analyze the eccentric mechanical properties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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