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May 16, 2023

Smarte Abfallmanagement-Perspektive von COVID

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2904 (2023) Diesen Artikel zitieren 1060 Zugriffe 1 Zitate 2 Details zu altmetrischen Metriken In diesem Artikel wird eine neue Methode zur Bestimmung der Wirkung von „gesund“ vorgestellt

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2904 (2023) Diesen Artikel zitieren

1060 Zugriffe

1 Zitate

2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In diesem Artikel wird eine neue Methode zur Bestimmung der Auswirkung von Streifen aus gesundem persönlichem Schutzmaterial (HPPM) wie chirurgischen Masken, Schutzanzügen sowie Kopf- und Fußbedeckungen auf die Haltbarkeit und die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Beton zur Verwendung in architektonischen Formen vorgestellt. Aufgrund der aktuellen globalen Epidemie durch das Coronavirus (COVID-19) hat die Verwendung von HPPM, wie z. B. chirurgische Masken, Schutzanzüge sowie Kopf- und Fußbedeckungen, erheblich zugenommen. Die zweite und dritte Welle von COVID-19 betrifft derzeit verschiedene Länder und macht die Verwendung von Gesichtsmasken (FM) erforderlich. Infolgedessen wurden Millionen einzelner FM in die Wildnis entlassen, an Strände gespült, im Meer getrieben und landeten an gefährlichen Orten. Die Wirkung von Streifenfasern auf die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Beton, wie z. B. Verarbeitbarkeit, einachsige Druckfestigkeit (UCS), Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit, Abplatzfestigkeit, Abriebfestigkeit, Sorptivität, Wasseraufnahme Sw, Porosität (ηe), Wasserdurchdringung, Durchlässigkeit, sowie wirtschaftliche und umweltfreundliche Aspekte müssen ermittelt werden. Mit einem Schwerpunkt auf HPPM, insbesondere Einweg-Gesichtsmasken, untersuchte diese Studie eine innovative Möglichkeit, Pandemieabfälle in Betonstrukturen zu integrieren. Zur Analyse der Mikrostrukturen und Grenzflächenübergangszonen und zur Identifizierung der Elementzusammensetzung wurden Rasterelektronenmikroskop- und Röntgenbeugungsmuster eingesetzt. Das HPPM hatte eine porenblockierende Wirkung, die die Permeabilität und Kapillarporosität verringerte. Darüber hinaus wurden die besten HPPM-Konzentrationen, insbesondere bei Masken, mit 0, 1, 1,5, 2,0 und 2,5 Volumenprozent aufgetragen. Die Verwendung gemischter Fasern aus verschiedenen HPPMs erhöhte die Festigkeit und Gesamtleistung von Betonproben. Die Tendenz zur zunehmenden Stärke begann bei etwa 2 % zu verschwinden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten, dass der Streifenanteil keinen Einfluss auf die Druckfestigkeit hatte. Der Streifen ist jedoch entscheidend für die Bestimmung der Biegefestigkeit von Beton. Der UCS stieg stetig zwischen 1 und 1,5 %, bevor er geringfügig auf 2,5 % abfiel, was darauf hindeutet, dass die Einarbeitung von HPPM in Beton einen erheblichen Einfluss auf den UCS der Mischung hatte. Die Zugabe von HPPM zu den Mischungen veränderte die Versagensart des Betons erheblich von spröde zu duktil. Die Wasseraufnahme im Festbeton wird verringert, wenn der Betonmischung HPPM-Streifen und -Fasern separat in geringen Volumenanteilen zugesetzt werden. Der Beton mit 2 % HPPM-Fasern hatte die geringste Wasseraufnahme und Porosität. Es wurde festgestellt, dass die HPPM-Fasern als Brücken über Risse wirken und die Übertragungsfähigkeit der Matrizen verbessern. Aus technologischer und ökologischer Sicht ergab diese Studie, dass die Verwendung von HPPM-Fasern bei der Herstellung von Beton sinnvoll ist.

Beton hat eine hohe Druckfestigkeit, aber eine zehnmal höhere Zugfestigkeit als Stahl. Es hat außerdem eine spröde Eigenschaft, die eine Spannungsübertragung nach der Rissbildung verhindert. Es ist möglich, Betonmischungen Fasern zuzusetzen, um Sprödigkeit zu verhindern und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. HPPM-Streifen (Healthy Personal Protective Materials) sind zementäre Verbundmaterialien mit verstreuten Fasern wie Stahl, Polymer, Polypropylen, Kohlenstoff und Glas1. Der Schutz von Stahlstäben vor Korrosion und Sulfatangriff sowie vor dem Eindringen von Wasser und Ionen durch Poren und Risse ist mit einer Verbesserung der Langlebigkeit von Stahlbeton verbunden2. Daher sind sowohl der Einsatz von Fasern als auch der Ersatz der herkömmlichen Verstärkung durch Fasern im Hinblick auf die langfristige Entwicklung günstig1. Polypropylenfaserverstärkter Beton wurde experimentell untersucht von3. Die Druckfestigkeit verringerte sich im Laufe des Testzeitraums geringfügig, nachdem ein Polypropylenstreifen mit 3 Volumenprozent hinzugefügt wurde, wobei die deutlichste Verringerung bei 10 % lag. Die Spaltzugfestigkeit verbesserte sich um 39 %, während die Druckfestigkeit durch die Einbeziehung eines Polypropylenstreifens mit 1 Volumenprozent abnahm.

Im Vergleich zur Faser mit der kleinsten Größe stellten Wissenschaftler fest, dass eine Erhöhung der Fasermenge die Druck-, Zug- und Biegefestigkeit um 10, 14 bzw. 58 % erhöhte. Darüber hinaus können dünne Fasern basierend auf den Erkenntnissen von4 eine praktikable Lösung zur Reduzierung der Kriechspannung sein. Die Effizienz von Fasern wird nicht nur durch die oben aufgeführten Kennzahlen bestimmt, sondern auch durch ihre Betonbindungsfestigkeit5. Darüber hinaus können Fasern gekräuselt, gedreht, sinusförmig oder hakenförmig sein, um ihre Kontaktoberfläche mit der Matrix zu verbessern, und ihre Vertiefungen können fibrilliert sein (die Enden spalten sich beim Mischen). Die mechanischen Eigenschaften von Betonmischungen werden auch durch die Faserform6 beeinflusst.

Xu et al.7 führten ähnliche Experimente mit faserverstärktem Beton durch und stellten fest, dass bei Verwendung von Zellulosefasern (CTF) in Dosierungen von 1,5 kg/m3 die einachsige Druckfestigkeit (UCS) des Betons auf 12 % anstieg; Wenn jedoch Polyvinylalkoholfasern (PF) in Dosierungen von etwa 4,0 kg/m3 verwendet wurden, verringerte sich der UCS des Betons um 35 %. Bei einer Erhöhung der Dosierung auf 2,0 kg/m3 verringerte sich die Spaltzugfestigkeit von CTF um 23 %, während die von PF um 55 % sank. Auch die Spaltzugfestigkeit der Polyolefinfasern nahm ab. Darüber hinaus bringt die Verwendung von Faserverstärkung in Beton bestimmte Einschränkungen bei der Mischungszusammensetzung mit sich; Daher kann es notwendig sein, Änderungen vorzunehmen8. Die Anzahl, Form und Schlankheit der Fasern beeinflussen die Verarbeitbarkeit von Beton1,9,10,11. Es handelt sich um ein vielversprechendes Einsatzgebiet, insbesondere in Ballungsräumen mit widrigen Umweltbedingungen, umweltbedingten Schäden, Abrieb von Oberflächen und Vandalismus. Allerdings werden HPPM-Fasern häufiger in Architekturanwendungen eingesetzt. Konkret sind HPPM-Fasern besonders erfolgreich bei der Reduzierung von plastischen Schwindbrüchen kurz nach der Betonherstellung und verbessern das Nachrissverhalten deutlich.

Kilmartin-Lynch et al.12 haben eine innovative Methode zur Integration von Einweg-Gesichtsmasken in die Betonherstellung vorgestellt. Die Methode untersuchte die Auswirkung der Zugabe von PSA auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Beton durch die Verwendung von Zement und anderen in Australien häufig vorkommenden Zuschlagstoffen zusammen mit Wasserreduzierern und durch die Verwendung seltener geringerer Mengen an PSA (d. h. 0,10 %, 0,15 %, 0,20 %). %, und 0,25 %).

Koniorczyk et al.13 verwendeten die empfohlene Dosierung von 1 Maske pro 1 L Beton. Ihren Erkenntnissen zufolge verbesserte die Zugabe verarbeiteter Masken die Druckfestigkeit (um etwa 5 %) und die Zugfestigkeit (um etwa 3 %).

Castellote et al.14 fügten Mörteln OP-Schutzmasken (WM) in Mengen von bis zu 5 % des Zementgewichts hinzu. Die Charakterisierung der mechanischen und mikrostrukturellen Aspekte wurde in ihrer Arbeit durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von MW zu Zement eine Verschlechterung der Materialeigenschaften, einschließlich Festigkeit und Haltbarkeitsverhalten, ausschließt.

Forscher haben eine Reihe von Vorteilen des Einsatzes von HPPM in Betonmischungen identifiziert, es wurden jedoch nur wenige Studien zur Verbesserung der Haltbarkeit und der technischen Qualitäten von Beton für den Einsatz in Gebäuden durchgeführt. Aufgrund der starken Wirkung von HPPM auf das Betonverhalten wurden in dieser Studie mehrere Laborproben mit unterschiedlichen Prozentsätzen an HPPM unter Verwendung der Standardbetonmischung für die Architekturherstellung hergestellt.

Das Hauptziel dieser Studie bestand darin, zu untersuchen, ob Einweg-Gesichtsmasken recycelt und wiederverwendet werden können, um die Menge an pandemiebedingtem Müll zu reduzieren, der während dieser Krise auf Mülldeponien landet oder die Straßen verunreinigt. Wir untersuchten den Einfluss von HPPM-Fasern auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Beton und wie HPPM-Fasern in einem potenziellen Anwendungsbereich, beispielsweise im öffentlichen Raum, eingesetzt werden könnten. Dies ist ein interdisziplinäres Studium, das sowohl Ingenieurwesen als auch Architektur umfasst. Diese revolutionäre Technik ermöglicht ein Verständnis dieses Themas durch die Integration verschiedener Wissensbereiche und ist bemerkenswert, da noch keine Studie über den Einsatz von HPPM-Fasern in öffentlichen Einrichtungen veröffentlicht wurde.

In dieser Studie wurde gewöhnlicher Portlandzement vom Typ I aus Najran-Zement (OPC) verwendet. Das spezifische Gewicht des Zements betrug 3,15 und er hatte eine Blaine-Feinheit von 410 m2/kg. Die Bogue-Phasen des Zements betrugen laut Hersteller 59 % C3S, 12,1 % C2S, 10,6 % C3A und 10,4 % C4AF. Die im Zement gefundenen Oxide sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um die Betonproben zu gießen, die ASTM C33/C33M-18 erfüllten, wurde der feine Zuschlagstoff aus natürlichem Sand mit einer maximalen Größe von 4,75 mm und der grobe Zuschlagstoff aus natürlichem Schotter mit einer maximalen Größe von 20 mm gewonnen. Die physikalischen Parameter der Zuschlagstoffe sind in Tabelle 2 dargestellt. Grober Sand wurde als Feinzuschlagstoff in den Betonproben verwendet, und zerkleinerte Steinsplitter gemäß ASTM C33 wurden als grobe Zuschlagstoffe verwendet. Tabelle 2 listet die physikalischen Merkmale dieser Aggregate auf.

Die Betonmischungen und die Aushärtung erfolgten mit Leitungswasser. Das ASTM C1602/C1602M-Kriterium für die Eigenschaften von Wasser wurde erfüllt.

Die in dieser Studie verwendeten Polypropylenstreifen (HPPM) sind im Handel erhältlich, beispielsweise Polypropylenstreifen aus chirurgischen Masken, Schutzanzügen sowie Kopf- und Fußbedeckungen, wie in Abb. 1 dargestellt. Die gesammelten Polypropylenstreifen aus chirurgischen Masken, Schutzanzügen usw Decken- und Fußabdeckungen haben die gleichen Eigenschaften12,13,15. Da die Polypropylenstreifen die gleichen Eigenschaften haben, haben die unterschiedlichen Anteile dieser HPPMs keinen Einfluss auf die Ergebnisse. Polypropylenfasern wurden in einer Menge von 2,5 % des Gesamtvolumens in den Beton eingemischt.

Versuchsprotokolle, Gießen und Aushärten des Betons mit HPPM.

Die mit zerkleinertem HPPM gemischten Proben wurden unter Verwendung von sechs Betonkombinationen in den Anteilen 0 % (Kontrollmischung), 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 % und 2,5 Volumenprozent Beton analysiert (drei Proben für jede Mischung). . Diese Wahl steht im Einklang mit früheren Studien von3,7,16. Während der Experimente wurde Najran-Zement mit einem spezifischen Gewicht von 3,15 und einer Schüttdichte von 1250–1650 kg/m3 sowie grobe Zuschlagstoffe mit einer Nenngröße von 20 mm und feine Zuschlagstoffe mit einem spezifischen Gewicht von 2,63 verwendet, die im Ofen verarbeitet wurden - 48 Stunden lang bei 110 °C getrocknet, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen. Tabelle 1 listet die verwendeten Zementparameter auf. Die physikalischen Parameter des HPPM sowie der feinen und groben Aggregate sind in Tabelle 2 aufgeführt. In dieser Studie wurden neue und nicht verwendete HPPM verwendet, um das Übertragungs- und Infektionsrisiko durch das Coronavirus in der Gemeinschaft zu begrenzen. Das HPPM wurde in kleine Stücke mit einer Länge von 1 cm und einer Breite von 1 cm geschnitten (Abb. 1).

Tabelle 3 zeigt das zum Gießen der Proben verwendete Mischungsdesign und die unterschiedlichen Mengen an HPPM. CM0 bezeichnet eine Kontrollmischung ohne OP-Masken, während CM25 Beton mit einer Konzentration von 2,5 Vol.-% bezeichnet.

In einem Referenzmischer wurden die Betonproben nach ASTM C192M mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,50 hergestellt. In dieser Studie wurden keine zusätzlichen Materialien oder chemischen Zusätze verwendet. Als zusätzlicher Prozentsatz wurden HPPM-Fasern in den Anteilen 0,5, 1, 1,5, 2,0 und 2,5 % eingesetzt. Der Beton wurde gemischt und 24 Stunden lang in verschiedene Formen (Würfel, Zylinder und Prismen) gegeben, bevor er aus der Form genommen und in sauberem, trinkbarem Leitungswasser ausgehärtet wurde. Die Betonproben wurden 28 Tage lang bei Raumtemperatur von 21 bis 24 °C ausgehärtet (Abb. 1).

Alle trockenen Materialien wurden gewogen und dann 3 Minuten lang in einem Betonmischer gemischt. Nach 3-minütigem Mischen mit Wasser wurden die trockenen Materialien vorsichtig hinzugefügt und weitere 3 Minuten lang kombiniert. Nach dem Lösen vom Mischer wurde der Beton in zylindrische Formen gegossen. Um Betonanhaftungen zu vermeiden, wurden die Innenflächen der zusammengebauten Formen dünn mit Formöl bestrichen. Um das Absetzen des Betons zu ermöglichen, wurden zylindrische Formen mit Beton gefüllt und 20 s lang auf einen Rütteltisch gestellt. Nach den ersten 20 s wurden die Formen mit Beton gefüllt und anschließend weitere 20 s gerüttelt, um die Hohlraumfreiheit sicherzustellen. Die neue Betonoberfläche wurde mit einer glatten Stahlkelle bearbeitet. Die Proben wurden nach 24 Stunden aus den Formen genommen und für den Festigkeitstest sofort für 28 Tage in sauberes Süßwasser getaucht. Das Verfahren wurde für jede Betoncharge durchgeführt. Frühere Untersuchungen 3,16,17 verwendeten identische Gussverfahren (1).

Die Druck-, Spaltzug- und Biegefestigkeitstests wurden jeweils mit 18,19 und 20 durchgeführt. Der Druckfestigkeitstest wurde an 100 × 100 × 100 mm3 großen Würfelproben durchgeführt (die Ergebnisse wurden gemäß ASTM C39/C39M-2118 auf 15 * 15 Würfel korrigiert), während der Split-Test an Proben mit einem Durchmesser von 100 mm und einem Durchmesser von 100 mm durchgeführt wurde Höhe von 200 mm und eine Biegefestigkeit von 100 mm Durchmesser, 200 mm Höhe, Prismenproben. Die Würfelproben wurden unmittelbar nach ihrer Entnahme aus dem Wasserbecken im gesättigten, oberflächentrockenen Zustand und im trockenen Zustand in Wasser gewogen, um die Probendichten zu bestimmen. Das Kompressionsprüfgerät hatte eine Kraft von 2000 kg pro Quadratmeter. Drei Proben aus jeder Mischungskonfiguration wurden auf Mängel untersucht, bevor sie einer Kraft von 157 kN/min ausgesetzt wurden. Um die Homogenität und strukturelle Integrität des hergestellten HPPM-Betons zu beurteilen, wurden nicht-distraktive Pulsgeschwindigkeitstests (PV) an Kompressionsproben gemäß21 durchgeführt. Dieser Test kann verwendet werden, um die Konsistenz und Gleichmäßigkeit der Betonproben zu beurteilen und um Risse und Hohlräume zu beurteilen, die auf der Oberfläche nicht sichtbar sind. Zur Bewertung der effektiven Porosität wurden zwei bis drei repräsentative Proben (mit Einzelmassen > 50 g) einer Probe in einem Exsikkator (e) in Wasser getaucht. Im Exsikkator wurde mindestens 2 Stunden lang ein Vakuumdruck von > 800 Pa (erforderlich von22) aufrechterhalten, um die Proben zu sättigen. Es wurden die Trockenmasse (Mdry) und die gesättigte Masse (Msat) einer Probe sowie einer gesättigten, in Wasser suspendierten Probe (Msus) berechnet. Zur Berechnung der effektiven Porosität (e) und der Trockendichte (dry) wurden die folgenden Gleichungen verwendet:

wobei ηe = Porosität %, Msat: gesättigte Masse, Mdry: Trockenmasse, MSSD: gesättigte Oberflächentrockenmasse.

Nach 28 Tagen Aushärtezeit wurden die Betonproben aus dem Aushärtetank entnommen und trocknen gelassen. Die Oberseiten der zylindrischen Proben wurden nach dem Lufttrocknen zurückgeschliffen, um eine glatte Kontaktfläche mit dem Kompressions- und Prüfgerät gemäß ASTM C31/C31M-21 zu erzeugen. Die Belastungsrate betrug 0,34 MPa/s18.

Für die Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Studie wurde ein Hitachi U8040 Rasterelektronenmikroskop verwendet. Die Flüssigkeitsdurchlässigkeiten der ausgehärteten Proben wurden nach23 bestimmt. Für den Durchlässigkeitstest wurde eine 150 mm große Würfelprobe verwendet. Bevor wir die Permeabilität gemessen haben, wurde die Probe 28 Tage lang ausgehärtet. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau für alle Tests.

HPPM-Streifen (Polypropylen) werden in Beton als rissbeständiges Verbesserungsmaterial eingesetzt. Das HPPM wurde gemäß den Anweisungen des Herstellers aus Polypropylen-Kunststofffasern hergestellt. Es weist außerdem eine hohe chemische Stabilität und Festigkeit auf. Der Fasergehalt lag volumenmäßig zwischen 0,5 und 2,5 %. HPPMs wurden in kleine Stücke von 1 cm Länge und 1 cm Breite gehackt. Die physikalischen Parameter von Einweg-HPPM sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Abbildung 2a und b zeigen die integrierten Röntgenbeugungsmuster der Gesichtsmaske und der HPPM-Faser. Die Beugungspeaks aller Fasern wurden zwischen 10 und 30 Grad erhalten, wie in Abb. 2b gezeigt. Die bei etwa 14°, 17°, 18,6°, 21–22° und 28° erhaltenen Peaks ähneln den von Polypropylen erzeugten Peaks. Alle mikrostrukturellen Veränderungen in HPPM wurden mittels REM beobachtet. Die HPPM-Schicht (Polypropylen) wurde in eine Größe von 10 mm × 10 mm geschnitten und mit einem REM (Hitachi, TM3000) bei 1000-facher Vergrößerung untersucht. Abbildung 2c zeigt die strukturellen Veränderungen in den Polypropylenfasern, wie z. B. Schmelzen, Verformung, Verheddern und Rissbildung.

(a) Bild einer Einweg-Gesichtsmaske, (b) XRD-Bild von FM-Fasern und (c) Aussehen der Gesichtsmaskenschichten unter dem Rasterelektronenmikroskop bei 1000×.

Die Proben wurden mittels XRD untersucht, um den Einfluss der Zugabe von HPPM-Fasern zu den Betonmischungen auf die Phasenänderungen zu bestimmen. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse des 2 % HPPM-Tests nach 28 Tagen. Die kristallinen Phasen von Portlandit Ca(OH)2, Calcit Ca(CO)3 und Siliziumdioxid (SiO2) sind die primären Peaks. Die Ca(CO)3- und Ca(OH)2-Gehalte änderten sich durch die Zugabe von HPPM-Fasern nicht nennenswert. In ähnlicher Weise wurden die Fasern bei der Zugabe bei einer Intensität von 650 beobachtet. Dieses Phänomen zeigt, dass die Fasern nicht in der Lage sind, an chemischen Prozessen teilzunehmen. Darüber hinaus wird das Vorhandensein amorpher Materialien durch die konvexe Form zwischen 2 Theta zwischen 16° und 36° angezeigt.

XRD-Analyse von Beton mit 2 % HPPM nach 28 Tagen.

Abbildung 4 zeigt die Setzmaße der Betonmischungen, die unterschiedliche Mengen HPPM als Zusatzstoff enthalten. Es wurde erwartet, dass die Setzmaßwerte linear abnehmen, wenn der Prozentsatz an HPPM, der dem Beton zugesetzt wird, zunimmt. Im Vergleich zum Referenzausbreitmaß der Referenzprobe verringerten sich die Ausbreitmaßwerte um ca. 5 %, 13 %, 20 %, 30 % bzw. 43 %. Das verringerte Ausbreitmaß könnte auf die Heterogenität und Rauheit der HPP-Partikel zurückzuführen sein, die die Fließfähigkeit der Mischungen sowie die hohe Absorption von HPPM (8,8 %) verringern könnten, wie in Abb. 4 dargestellt. Aufgrund der hohen Porosität von HPPM (Durchschnitt. 8,8 %) und eine hohe Kohäsion zwischen HPPM und Betonmatrix29, führte eine Erhöhung der HPPM-Menge zu niedrigeren Setzmaßen. Das Volumen, die Form und die Schlankheit der Fasern sowie die Mischungszusammensetzung beeinflussen die Verarbeitbarkeit von Beton1,9,10,11. Wenn die Faserdosis diese kritische Menge überschreitet, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Fasern verklemmen oder zusammenballen, was zu einer ungleichmäßigen Faserverteilung und einer stärkeren Verringerung der Fließfähigkeit führt27.

Slump-Werte verschiedener HPPM-Prozentsätze.

Die UCS-Werte der Proben sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Kontrollmischung im Experiment hatte einen 28-Tage-UCS von 448 kg/cm2, aber die Zugabe von 2 Volumenprozent zerkleinertem HPPM führte zu den besten Ergebnissen. Bei der Kontrollmischungsstudie stieg der UCS stetig zwischen 1 und 1,5 %, bevor er geringfügig auf 2,5 % abfiel. Im Vergleich zur Kontrollprobe führten Volumenerhöhungen von 0,5, 1, 1,5 und 2 % zu Probenzunahmen von 8,82, 11,05, 13,68 bzw. 9,40 % (Abb. 5). Die Ergebnisse zeigten, dass die Einarbeitung von HPPM in Beton einen erheblichen Einfluss auf den UCS der Mischung hatte. Im Jahr 2020 berichteten Xu et al.7 über ähnliche Ergebnisse für UCS, wo die Zugabe verschiedener Kunststofffasern den UCS bis zu dem Punkt erhöhte, an dem er zu sinken begann. Die Verbesserung des UCS durch den zusätzlichen Gehalt an Polypropylenfasern hängt möglicherweise mit der rissbegrenzenden Wirkung der Fasern zusammen, wie in früheren Untersuchungen gezeigt wurde30. Laut einer Studie von31 könnte der rückläufige Trend bei 2,5 % auf das Vorhandensein von Hohlräumen bei 2,5 % und die Existenz schwächer werdender Grenzflächenverbindungen zwischen dem zerschnittenen HPPM und dem Zement zurückzuführen sein (2017).

Druckfestigkeit erhöht durch Zugabe von HPPM nach 28 Tagen.

Wenn die Ballaststoffdosis von 0 auf 3 % erhöht wurde, stieg der UCS um 6 %32. Die Zugabe von HPPM zu den Mischungen veränderte die Versagensart des Betons erheblich von spröde zu duktil, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Proben zerbrachen aufgrund der Brückenwirkung der HPPM-Fasern nicht und behielten ihre Integrität bis zur Fertigstellung bei der Test. Es wurde festgestellt, dass HPPM-haltige Mischungen in jungen Jahren eine geringere Druckfestigkeit aufwiesen; nach längerer Aushärtungszeit wiesen sie jedoch höhere Druckfestigkeiten auf. Dies deutet darauf hin, dass die Wirkung von Brückenfasern die UCS von Beton im Laufe der Zeit verbessern kann.

Versagensmodus der Betonproben ohne HPPM unter (a) Drucklast (b–d), wodurch sich der Versagensmodus des Betons von spröde zu duktil ändert.

Nach 28 Tagen wurde ein Ultraschalltest an wassergesättigten kubischen Betonproben von 150 mm durchgeführt, um die Anzahl der inneren Poren in den Proben zu bestimmen. Dieser zerstörungsfreie Test nutzt reflektierte Wellen, die zwischen Sonden strahlen, um die Durchlässigkeit einer Probe zu beurteilen, so21. Der Test wurde durchgeführt, indem die beiden Flächen der Probe mit zwei Sonden des Instruments gekreuzt wurden. Der PV-Test ist eine zerstörungsfreie Methode zur Bestimmung der Konsistenz und Effizienz von Beton. Betonrisse und -poren werden auch als PV33 bezeichnet. Die zerstörungsfreie Prüfung ist eine gute Möglichkeit, die Qualität von Beton zu beurteilen. Die Auswirkungen des PV-Tests sind in Abb. 7a dargestellt. PV wuchs kontinuierlich mit zunehmendem HPPM-Volumengehalt, bis das Volumen 2,0 % überschritt, danach sank es geringfügig auf 2,5 %, wie in Abb. 7a dargestellt. Auch bei UCS lieferte das HPPM-Material mit einem Volumen von 2,0 % die besten Ergebnisse. Laut34,35 gilt Beton mit einem PV-Ergebnis von mehr als 4500 m/s als herausragend mit hoher Qualitätsbewertung. Bei der 2,5-Volumen-Marke nahm die Qualität des Betons im Vergleich zur Kontrollprobe im Versuch noch einmal ab; Ungeachtet dessen verbesserte sich die Qualität des Betons bei allen Mischungsdesigns, was auf vorteilhafte Eigenschaften hinweist. Laut36 weist guter Beton in den genannten Bereichen keine nennenswerten Hohlräume oder Risse auf; Wie die Forschung von37 zeigt, reduzierte die Verwendung von zerkleinerten Gesichtsmasken folglich die Anzahl der Mikrorisse im Beton und verbesserte dadurch die Gesamtqualität des Betons. Das Fehlen von Hohlräumen oder Rissen kann innerhalb der oben genannten Grenzen die strukturelle Integrität von Beton gefährden. Aufgrund eines Anstiegs des Hohlraumgehalts und damit der Porosität bei zunehmender Faser sinken die PV-Werte tendenziell ab einer Faserzusammensetzung von 2,5 %. Laut BIS lagen die Werte der Ultraschallimpulsgeschwindigkeit (UPV) zwischen 3,8 und 4,04 km/s, was auf eine gute Betonqualität hinweist38. Das HPPM wurde zur Gleichung hinzugefügt, was die UPV-Werte bis zu einem bestimmten Volumenanteil erhöhte. Allerdings führte der erhöhte HPPM-Streifengehalt erwartungsgemäß zu niedrigeren UPV-Werten. Es wird angenommen, dass dieser Rückgang der Geschwindigkeitsänderung auf das Vorhandensein von Hohlräumen und Mikrorissen in den Betonproben zurückzuführen ist, die die Homogenität bei höheren Faservolumenanteilen verringern. Für Proben, die HPPM zu einem beliebigen Prozentsatz enthielten, wurden UPV-Werte im Bereich von 4200 bis 4600 m/s ermittelt und sie wurden als Beton guter Qualität angesehen.

(a) Ergebnisse der P-Wellengeschwindigkeit nach 28 Tagen und (b) die Beziehung zwischen UCS und PV für Beton, der HPPM enthält.

Die UPV-Werte beziehen sich auf die entsprechende Druckfestigkeit des Würfels. Die Beziehung zwischen den UCS- und UPV-Werten von Betonmischungen, die HPPM-Fasern enthalten, ist stark, wie in Abb. 7b dargestellt. Zur Korrelation der experimentellen Ergebnisse wurde eine Potenzregressionsmethode verwendet, wobei für alle Proben ein R2-Wert von 0,872 ermittelt wurde, was auf ein hohes Maß an Vertrauen in den Zusammenhang hinweist.

Die Ergebnisse der Sorptivität (S) sind in Abb. 8 dargestellt. Beim Vergleich von Faserbeton mit gewöhnlichem Beton ist S, ein Maß für die Haltbarkeit des Betons, niedriger. Es ist möglich, dass der Verbindungsverlust im Porenraum durch die Porosität der HPPM-Faserfüllung verursacht wird39. Der minimale S-Wert für 2 % HPPM beträgt 2,55 (106) m/s, während der maximale Wert für 2,5 % HPPM 3,46 m/s beträgt. Darüber hinaus hatten alle HPPM-Betone einen niedrigeren S-Wert als die Kontrollmischung, obwohl der hohe Wert für 2,5 % HPPM einer Mischung mit beträchtlicher Porosität ähnelte. Dieses Ergebnis verdeutlicht die deutliche Reduzierung der kapillaren und inneren Leitfähigkeit der Poren bei Verwendung von HPPM-Fasern und bestätigt alle anderen Haltbarkeitsergebnisse dieser Studie.

Verbesserung der Sorptivität durch Zugabe von HPPM nach 28 Tagen.

Der FS von UCS und PV folgt einem ähnlichen Muster, mit einem Anstieg bis zu 2 % des HPPM-Fasergehalts und einem anschließenden Rückgang mit zunehmender Faseranzahl. Die in dieser Grafik (Abb. 9) dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die Betonbiegefestigkeit ähnlich wie die Zugfestigkeit mit zunehmender HPPM-Konzentration zunahm. Im Vergleich zur Kontrollmischung hatten Proben mit einem HPPM von 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % FS von 17,8, 24, 27,5, 33,4 bzw. 1,6 %. Darüber hinaus spielt HPPM eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von FS, insbesondere nach einer längeren Dauer der Wasserhärtung. Die Gesamtwirkung von HPPM scheint auf eine Erhöhung der FS ausgerichtet zu sein, wie der Anstieg der FS von Beton um 33,4 % bei 2,0 % HPPM zeigt. Die Abnahme des FS mit zunehmendem Fasergehalt kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass Hohlräume in der Matrix wachsen, wenn 2,5 % HPPM-Fasern zur Matrix hinzugefügt werden. Durch die Anwendung von HPPM auf nachhaltigen Beton wurde der FS der Probe erheblich gesteigert. Infolgedessen können weitere FS-Verbesserungen durch die Einführung eines HPPM mit einer optimierten geometrischen Form erreicht werden, um ein besseres Beton-FS zu schaffen. Der Einsatz mechanisch verbesserter Fasern mit erhöhter Bindungsstärke sollte zu einem widerstandsfähigeren Strukturbeton führen, der aufgrund der Entwicklungen bei der Verarbeitung von recyceltem HPPM größere Restkapazitäten erzeugen kann.

(a) Fasern, die die Risse in der Spannungszone der Proben kreuzten, führten zu einer Erhöhung der Biegefestigkeit (b) Verbesserung der FS nach 28 Tagen nach Zugabe von 2 % HPPM (c) Einfluss des HPPM-Einbaus auf die Biegefestigkeit.

Die Fasern, die die Risse in der Spannungszone der Proben kreuzten, führten zu einer Erhöhung des FS. Die HPPM-Fasern biegen sich, um die Rissflächentrennung aufrechtzuerhalten, bieten eine größere Energieabsorptionskapazität und entspannen den Mikrorissbereich neben der Rissspitze (Abb. 9a, b). Dies könnte durch die verminderte Verarbeitbarkeit des Betons bei größeren Volumenanteilen in den Mischungen verursacht werden. Die aufgezeichneten FS-Werte der prismatischen Strahlen sind in Abb. 9c dargestellt.

Bezüglich der Anzahl der Schläge, die erforderlich sind, um die Betonprobe zum Einsturz zu bringen, wurden die IMs von Beton für verschiedene Volumenanteile von HPPM-Fasern untersucht. PPF verbessert die Schlagfestigkeit von Beton40. Die Zugabe von nur 1 % Mikro-PPF erhöhte die Anzahl der Schläge bis zum Ausfall um fast das Dreifache41. Die Anzahl der Schläge beim ersten Riss wurde auf 76, 35, 546, 654, 987 und 698 Prozent für 0 Prozent, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 % bzw. 2,5 % HPPM bei HPPM geschätzt wurde Betonmischungen zugesetzt. Darüber hinaus erhöhte sich bei 0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 % und 2,5 % HPPM die Anzahl der zur Zerstörung der Probe erforderlichen Schläge um das 3,0-, 3,3- bzw. 4,8-fache (Abb. 10). Diese Ergebnisse stimmen mit42 überein, das feststellte, dass die Anzahl der Schläge zum Versagen von 76 (100 %) bei Normalbeton auf 355 (367,105 %), 546 (618,421 %), 654 (760,526 %) und 987 (1198,68 %) anstieg 689 (818,421 %) für Beton mit HPPM-Fasern gleich 0 %, 0,5 %, 1 %, 1,5 %, 2 % bzw. 2,5 % für Beton mit HPPM-Fasern gleich Mischungskontrolle (Abb. 10).

Einfluss des HPPM-Einbaus auf die Schlagfestigkeit.

Darüber hinaus ist der Anteil der Abplatzungen bei PPFRC im Vergleich zu Beton ohne Fasern geringer43. Dies ist auf Fortschritte im Brandschutz zurückzuführen. HPPM schmilzt bei 160 °C, während Abplatzungen bei 190 °C auftreten44. Dadurch entstehen beim Schmelzen der Fasern leere Kanäle und ein neuer Weg für den Gasaustritt entsteht. Gleichzeitig wird der Poreninnendruck gesenkt. Diese Erkenntnisse wurden auch von45,46 und anderen bestätigt. Schließlich verbesserte HPPM die Feuerbeständigkeit des Betons erheblich.

Der Einsatz von HPPM-Fasern verbessert die Abriebfestigkeit von Beton. Horszczaruk47 zeigte, dass nach Einbeziehung von 0,9 kg/m3 Fasern die mittlere Abnutzungstiefe von HPPM im Vergleich zu normalem Beton von 29 auf 42 % sank. Der Anstieg der Abriebfestigkeit von Betonen, die fibrilliertes 0, 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % HPPM enthielten, variierte je nach Wasser-Zement-Verhältnis zwischen 6,4, 5,7, 4,9, 3,7 und 4,6 %48.

Dieses Phänomen kann durch die Tatsache erklärt werden, dass die Einarbeitung von HPPM-Fasern in Beton die Bildung von Rissen hemmt und dessen inhärente Rissneigung effektiv verringert. Darüber hinaus führt die porenverschließende Wirkung von HPPM-Fasern dazu, dass sich die Porenstrukturen im Festbeton stärker lösen, was zu einer geringeren Kapillarporosität und einer geringeren Wasserdurchdringung des Betons führt. Darüber hinaus verbesserte sich die Abriebfestigkeit von HPPM. Hinsichtlich der Beständigkeit gegen Abriebschäden übertrafen die HPPM-Fasern den Kontrollbeton (Abb. 11).

Verbesserung der Abriebfestigkeit 28 Tage nach Zugabe des HPPM.

Der Widerstand von Beton gegenüber dem Eindringen feindlicher Ionen ist ein weiterer wichtiger Faktor, der seine Haltbarkeit beeinflusst. Die Porosität von Beton wird indirekt durch seine Absorptionseigenschaften dargestellt, die nützliche Informationen über das durchlässige Porenvolumen im Beton und die Konnektivität zwischen diesen Poren liefern49. Der Sw-Prozentsatz ist ein Maß für das Porenvolumen oder n des Betons nach dem Aushärten und einer der grundlegenden Faktoren für die Haltbarkeit des Betons.

In Bezug auf die Wasseraufnahme haben viele Studien gezeigt, dass HPPM weniger Wasser aufnimmt als normaler Beton. Laut50 absorbiert normaler Beton 1,52 % Wasser, während Beton mit 1,5, 3,0 oder 4,5 % PPF 39, 46 bzw. 49 % Wasser absorbiert. Ebenso verringerte sich im Jahr 51 die Wasseraufnahme um etwa 45 %, von 2,481 auf 1,366 %. PPFRC absorbierte in früheren Tests 24,7 % weniger Wasser als Beton ohne Fasern52. Dies könnte auf die Wirkung der Fasern zurückzuführen sein, die die Anzahl der Risse auf ein Minimum beschränken. In einigen Tests wurde jedoch gezeigt, dass Fasern einen negativen Einfluss auf die Aufnahmefähigkeit haben.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Injektion von HPPM in Beton dessen SW deutlich reduziert. Im Vergleich zu den jeweiligen Werten der Kontrollbetonmischungen verringerte sich die Wasseraufnahme von Betonmischungen mit 0, 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % HPPM um 25 % bzw. 36 %. Die Ergebnisse von Polypropylen-HPPM-Faserbeton zeigen, dass HPPM-Fasern die Wasseraufnahme des Betons positiv reduzieren. Wie in Abb. 12a dargestellt, führte der erhöhte Ballaststoffgehalt zu einer stärkeren Verringerung der Wasseraufnahme. Infolgedessen wies unter allen in dieser Studie bewerteten HPPM-Faserbetonen die Kombination mit 2 % HPPM-Fasern die geringste Wasseraufnahme auf. Die Zugabe von Fasern zum Beton bietet verschiedene Vorteile, führt aber auch dazu, dass die Dicke der Übergangszone bei hybriden Faserbetonen zunimmt.

Einfluss von HPPM auf (a) Wasseraufnahme (Sw) und (b) Porosität (n), wie in ausgewählten Studien berichtet.

Der Einfluss von HPPM auf die Porosität lässt sich nicht eindeutig messen, wie in Abb. 12b dargestellt. Die Verarbeitbarkeit wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter die Verteilung der Fasern innerhalb der Mischung und der Grad der Porosität. Studien haben gezeigt, dass mit zunehmender Ballaststoffdosis die Porosität zunimmt53. Die Porosität kann abnehmen, wenn die Zugabe von Fasern auf eine geringere Menge beschränkt wird, und kann dann bei größeren Faserzusätzen wieder zunehmen, wie bereits gezeigt54. Die Porositäten des Betons mit 0, 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % HPPM betrugen in dieser Studie 4,9, 4,3, 5,2, 3,6, 4,3 bzw. 5,5 %. Eine Zusammenfassung der Auswirkung des HPPM-Fasereinbaus auf die Betonporosität ist in Abb. 12b dargestellt. Die Zugabe von mehr als 2,5 % HPPM-Fasern zum Beton führte zu einer erhöhten Übergangszonendicke und einem höheren n und damit zu einem höheren Sw. Die erhöhte Porosität könnte auf eine schlechte Verdichtung zurückzuführen sein, die zu mehr Mikrorissen, ungezügelten Fasern, Rissen und einer schlechten Faser-Matrix-Bindung führen könnte55.

Aufgrund der porenverschließenden Wirkung von HPPM-Fasern waren alle Wassereindringtiefen für HPPM geringer als für die Kontrollmischung. Diese Ergebnisse unterstützen die Genauigkeit der HPPM-Ergebnisse.

Die Probe mit 2 % HPPM-Faseranteil hatte eine minimale Eindringtiefe von 7,4 mm, was 38,33 % weniger als die der Kontrollmischung war. Die Abnahme der HPPM-Wassereindringtiefe und die anschließende Zunahme (11,6 bei 2,5 %) könnten auf einen Anstieg von „n“ mit zunehmendem HPPM-Fasergehalt zurückgeführt werden. Tatsächlich ist die Verringerung der Wassertiefe um 2 % höchstwahrscheinlich auf eine Porenverstopfung und eine verringerte Kapillarporosität zurückzuführen. Dieses Ergebnis stützt die Ergebnisse anderer in dieser Studie vorgestellter Haltbarkeitstests. Abbildung 13 zeigt die Wassereindringtiefe bei 28 Tagen.

Tiefe der Wassereindringung im Vergleich zum HPPM-Fasergehalt nach 28 Tagen.

Darüber hinaus ist die Wirkung von HPPM-Fasern auf die Permeabilität nicht genau verstanden. 3 fanden heraus, dass die Zugabe von PPF zu Beton sowohl die Wasser- als auch die Gasdurchlässigkeit erhöhte. Hager et al.56 berichteten über einen ähnlichen Befund. Viele Studien haben hingegen herausgefunden, dass Fasern einen günstigen Einfluss auf die Durchlässigkeit haben. Laut57 verringert die Zugabe von PPF zu Beton die Dauer der Wasserdurchlässigkeit. Ebenso zeigten Proben mit Fasern eine schlechtere Permeabilität als Proben ohne Fasern58. Studien haben auch gezeigt, dass die Durchlässigkeit abnimmt, wenn das Faservolumen bis zu einem bestimmten Punkt zunimmt, dann zunimmt und manchmal das Volumen von reinem Beton übersteigt59. Dies ist in der Regel auf mangelnde Verarbeitbarkeit und einen zu hohen Faseranteil in der Mischung zurückzuführen.

Das Vorhandensein von HPPM-Fasern im Beton verringert die Wahrscheinlichkeit eines Betonbruchs, indem es die Rissbildung begrenzt. Fasern bewirken außerdem eine stärkere Trennung der Porenstrukturen im Festbeton, was zu einer geringeren Kapillarporosität und einer geringeren Wasserdurchdringung des Betons führt.

Die Mikrostruktur der HPPM-Fasern mit Volumenanteilen von 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % wurde mittels REM untersucht, um die Bindungseigenschaften der Mischung zu bewerten. Abbildung 14a,b zeigt die HPPM-Faser-Matrix-Grenzfläche eines Betonverbundwerkstoffs, der HPPM-Fasern und Faserbrücken nach einem Bruch enthielt. Die Ergebnisse von Druck- und Biegetests an Beton mit HPPM-Fasern zeigten, dass die Faser-Matrix-Grenzfläche stärker war und dass die Faser-Matrix-Bindung stärker war.

REM-Bilder von Beton mit HPPM-Fasern. (a) Würfel mit unterschiedlichen Prozentsätzen an HPPM, (b–f) 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 % HPPM-Fasern.

Ein weiterer Nachteil von Beton besteht darin, dass er fast unmittelbar nach dem Gießen und vor dem vollständigen Aushärten bricht. Diese Risse sind eine Hauptursache für Betonschwäche, insbesondere bei großflächigen Baustellenanwendungen, und verursachen Brüche und Ausfälle sowie einen allgemeinen Mangel an Belastbarkeit60. Herkömmliche Verstärkungen und, in geringerem Maße, die Verwendung einer geeigneten Menge bestimmter Fasern helfen bei der Überwindung von Spannungsschwächen61. Die Mikrostruktur von HPPM-Beton mit einem Volumenanteil von 2 % HPPM wurde mittels REM untersucht, um die Bindungseigenschaften von HPPM in der Mischung zu beurteilen. Die Mikrostrukturen bei 0,5, 1 und 1,5 % der HPPM-Oberfläche und der hydratisierten Zementmatrix nach dem Bruch der Betonprobe sind in Abb. 14b–d dargestellt. Die Oberfläche des HPPM war mit einer dicht hydratisierten Zementmatrix beschichtet, wie in Abb. 14b–d dargestellt. Dieses Ereignis zeigt, dass das HPPM und die nasse Zementmatrix eine starke Verbindung eingegangen sind.

Das HPPM und die Zementmatrix hatten eine starke Grenzflächenverbindung, wie in Abb. 14e dargestellt. Diese Verbindung war wichtig für die Reduzierung der Größe und Anzahl der Risse, was zu einer Steigerung der HPPM-Festigkeit um 2 % führte. Die Brückenbildungsaktivität der Fasern, bei der die Brückenfasern die Spannung teilweise über den Riss übertragen, könnte auch für die verbesserte Biegeleistung von HPPM-haltigem Beton verantwortlich sein. Ähnliche Ergebnisse wurden von30 gemeldet, die herausfanden, dass die Zugabe von Polypropylen zu Beton dessen Biegefestigkeit erheblich erhöhte.

Bei 2 % HPPM-Faser wurden die höchsten Druckfestigkeitswerte erreicht. Die höchsten UCS-Anstiege, gemessen bei 1,5 % und 2 % HPPM, betrugen 13,6 % bzw. 9,40 %. Daher kann man davon ausgehen, dass Streifen einen erheblichen Einfluss auf die Druckfestigkeit haben. Diesen Erkenntnissen zufolge haben die HPPM-Streifen einen erheblichen Einfluss auf die UCS-Werte im Vergleich zu denen des Kontrollbetons. Die hohe Feinheit und variable Länge der Fasern in Stapel-HPPM-Streifen bilden ein Netzwerk, das als Brücke fungiert und verhindert, dass sich die Mikrofraktur weiter ausbreitet. Bei einem höheren HPPM-Streifengehalt (2,5 %) waren die Faserstreifen jedoch aufgrund der schlechten Verarbeitbarkeit und Durchmischung ungleichmäßig im Beton verteilt. Dadurch sammelten sich diese Fasermassen, um schwächere Stellen zu erzeugen (Abb. 14f).

Nach dem Biegetest fungierten die Fasern als Brückenelement und übertrugen die Last effektiv von der Matrix auf die HPPM-Fasern, sodass diese die zusätzliche Last aufnehmen konnten, was zu einer Erhöhung von UCS und FS im Vergleich zu denen der Kontrolle führte Beton. Die Größe und Form der Polypropylenfasern beeinflussten die Erhöhung der Biegefestigkeit des Betons. Aufgrund des niedrigeren effektiven W/Z-Verhältnisses waren außerdem die Spaltzug- und FS-Werte mit 17,8, 24, 27,5, 33,4 und 1,6 % Anstiegen des FS bei 0,5, 1, 1,5, 2 und 2,5 relativ hoch % HPPM im Vergleich zu denen von Kontrollproben. In einer verstreut gestreiften Zementmatrix sind die Spannungskonzentrationen entlang der Faserlänge nicht gleichmäßig.

Die Kombination von HPPM-Streifen und -Fasern ist ein Faktor, der den FS verbessert. Die HPPM-Streifen wurden gebogen, um die Bruchfläche auseinanderzuhalten, was eine größere Energieabsorptionskapazität bot und gleichzeitig den Mikrorissbereich neben der Rissspitze entspannte. Ein höherer Fasergehalt (2,5 % HPPM) führte jedoch zu einer Verringerung des FS (Abb. 14f). Dies könnte durch die verminderte Verarbeitbarkeit des Betons bei größeren Volumenanteilen in den Mischungen verursacht werden. Eine unzureichende Verdichtung, mehr Mikrorisse, unkontrollierte Fasern und Risse sowie eine schlechte Faser-Matrix-Bindung könnten alle zur erhöhten Permeabilität und Porosität beitragen. HPPM fungiert als dreidimensionale Verstärkung, überbrückt Risse und verhindert Wachstum und Vergrößerung62. Wichtig ist, dass Risse weder die Konstruktion noch die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigen, wenn sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Wenn Beton von einem plastischen in einen festen Zustand übergeht und der Elastizitätsmodul des Betons den Elastizitätsmodul der Fasern übersteigt, wird angenommen, dass Mikro-HPPMs keine wesentliche Rolle mehr spielen. Darüber hinaus wurde in einer früheren Studie63 die Rissfläche in Beton mit 0,5 % PPF um 99 % reduziert. PPF verhindert die Bildung von Rissen nicht nur gegen plastisches Schrumpfen, sondern auch gegen Trocknungsschwinden11,63.

Allerdings wies, wie in Abb. 14f gezeigt, 2,5 % HPPM eine höhere Porosität auf, was dazu führte, dass die Probe inhomogen war. Darüber hinaus haben die HPPM-Fasern eine Brückenwirkung, die zu erhöhten Druck- und Biegefestigkeiten führen kann. Tatsächlich hängen geringere Permeabilität und Kapillarporosität eng zusammen. Daraus kann geschlossen werden, dass die Hohlräume in 2,5 % HPPM, die größer sind als die in 2 % HPPM, durch HPPM-Fasern verursacht werden, die Luft in der Mischung einschließen. Darüber hinaus können die HPPM-Streifen und -Fasern als Bindemittel auf allen Fasern wirken und sich in diesem Mikrobild aggregieren, was möglicherweise zu einer Verstopfung der Poren und einer verminderten Durchlässigkeit führt. Tatsächlich hängen geringere Permeabilität und Kapillarporosität eng zusammen. Die Hohlräume in 2,5 % HPPM, die größer sind als die in 2 % HPPM, werden wahrscheinlich durch Fasern verursacht, die Luft in der Mischung eingeschlossen haben.

Einige Forscher haben kürzlich die Auswirkung von Rissen auf die Durchlässigkeit von Beton hervorgehoben.64 untersuchten die Auswirkung der Bruchbreite auf die Durchlässigkeit von Beton in einem experimentellen Rahmen. Shin et al.65 untersuchten den Einfluss der Betondurchlässigkeit auf Bruchart, Rissbreite und Wassersäule. Yang et al.66 nutzten Röntgen-CT zur Überwachung der Wassertransportparameter von gerissenem Beton und wiesen darauf hin, dass die Bruchmorphologie und Tortuosität in zukünftigen Forschungen untersucht werden sollten.

Die Hauptrolle von HPPM im Betonbau ist in Abb. 15 dargestellt. Wie gezeigt, übersteigen die durch plastisches Schrumpfen entstehenden Spannungen die Betonfestigkeit in den ersten Stunden seines Alters, wenn sowohl die Festigkeit als auch der Elastizitätsmodul recht niedrig sind. Dadurch entstehen Schwundrisse. Die Rissbildung wird durch eine hohe Anzahl gleichmäßig verteilter HPPM verlangsamt, die die Rissbreite um zwei Größenordnungen reduzieren5. Zu beachten ist, dass Risse weder die Konstruktion noch die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigen, wenn sie eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Wenn Beton von einem plastischen in einen festen Zustand übergeht und der Elastizitätsmodul des Betons den Elastizitätsmodul der Fasern übersteigt, spielen Mikro-HPPMs keine wesentliche Rolle mehr. In dieser Studie hatten Betonproben ohne Fasern eine Bruchfläche von 1743 mm267, während diejenigen mit 0,5 und 1,0 % PPF Rissflächen von 992 bzw. 99 mm2 aufwiesen. Laut dieser Studie erhöht das Vorhandensein von HPPM die Trocknungsschwindbeständigkeit von Beton.

Schematische Darstellung des Mechanismus der Brückenbildung durch HPPM bei 2 % der Fasern, als die sie fungieren. Rissüberbrückende Aktivität während des Versagens.

Die Zugabe von Makro-HPPM-Fasern kann die Bruchform basierend auf den oben genannten physikalischen und mechanischen Daten verändern. Dieses Verhalten kann auf die Makro-Polypropylenfasern zurückgeführt werden, die stochastisch in der Matrix verstreut sind und verhindern, dass sich der Matrixbruch ausbreitet, ohne die Fasern zu dehnen und zu lösen, was zu einem abweichenden Rissausbreitungsweg führt. Beim Vergleich von HPPM-Faserproben mit Kontrollbetonproben zeigten Proben mit einer Faserdosis von 2,5 % den deutlichsten Anstieg der Rissmorphologie.

Die Verwendung von Fasern aus verschiedenen Rohstoffen ist wirksam bei der Kontrolle der Rissbildung auf Sichtbetonoberflächen, die durch Trocknungsschwund im frühen Alter verursacht wird37. Da sie die Bewegungen der Mikroebene im Beton durch die Überbrückung und Vernähung feiner Risse einschränkten, verringert der PPF im Beton die Trockenschrumpfung und die frühe Rissbildung5. Die Wirkung von HPPM auf das Bruchverhalten der Matrix kann in zwei Kategorien unterteilt werden. Erstens reduziert die Zugabe von HPPM-Fasern die maximale Spannung sowie den Elastizitätsmodul der Mischungen. Zweitens kann die Spannung nach dem Bruch der kornüberbrückenden Rissfläche über Risse durch den Schnittpunkt der Fasern und Risse übertragen werden. Die rissüberbrückende Wirkung führt zu einer erhöhten Duktilität im HPPM-Faserbeton (Abb. 15).

In der heutigen Baubranche werden die Themen Anfälligkeit und umweltfreundliche Materialien heiß diskutiert12,13,14,68,69. Die CO2-Konzentrationen in der Umwelt sind im 21. Jahrhundert um 50 % gestiegen2. Die Betonherstellung ist für 2–3 % des jährlichen Energiebedarfs und 8–9 % der gesamten CO2-Emissionen in die Atmosphäre verantwortlich70. Folglich steht die Bauindustrie nun vor einer neuen Herausforderung: Betonkonstruktionen herzustellen, die den Umweltstandards entsprechen und gleichzeitig langlebiger sind. Der Schutz von Stahlstangen vor Korrosion und Sulfatangriff verbessert die Langlebigkeit von Stahlbeton und ermöglicht das Eindringen von Wasser und Ionen durch Risse und Poren2. Kunststoffschrumpfung in jungen Jahren gilt allgemein als eine der Hauptursachen für Betonrisse. Daher scheint das Konzept der HPPM-Fasereinbindung im Hinblick auf die langfristige Entwicklung durchaus nützlich zu sein. Ali et al.71 führten eine Vergleichsstudie mit reinem Beton und Beton mit verschiedenen Fasertypen durch, darunter Stahl, Glas und PP. Es wurde festgestellt, dass bei der Herstellung von PPF 30 bzw. 9 % weniger CO2 erzeugt wurde als bei Stahl- bzw. Glasfasern. Bewertet wurden die ökologischen und wirtschaftlichen Aspekte im Zusammenhang mit Straßenbelägen, die aus den verschiedenen oben beschriebenen Betonen hergestellt wurden. Darüber hinaus wurden je nach Faserdosis die Kohlenstoffemissionen pro m2 Fahrbahn um 13–18 % reduziert. In einer anderen Studie72 wurde die Dicke der Betondecke durch den Einsatz von PPF um 18 % reduziert. Die COVID-19-Pandemie verursachte eine globale Krise mit sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Folgen73. Ein unsachgemäßer Umgang mit verbrauchtem HPPM ist ein weiterer plausibler Weg für die Übertragung von COVID-19. Die vorliegende Arbeit ermutigt Wissenschaftler, ihre Bedenken gegenüber Regierungen auf allen Ebenen zum Ausdruck zu bringen, was die Bedeutung der Umsetzung geeigneter Maßnahmen zur Abfallbewirtschaftung wie HPPM angeht, um die Ausbreitung des neuartigen Coronavirus zu verhindern. Saudi-Arabien ist mit 50 % seiner Bevölkerung das bevölkerungsreichste Land der Arabischen Halbinsel. Bisher gab es 417.363 Coronavirus-Fälle und 6957 Todesfälle. Insgesamt wurden 375.831 US-Dollar zurückgefordert (www.worldometers.info). Wie bereits erwähnt, liegt die Hauptanwendung von Faserbeton im Bau von Strukturelementen. Die Möglichkeit, solchen Beton zum Bau architektonischer Formen zu verwenden, wird selten in Betracht gezogen. Öffentliche Räume gehören zu den Anwendungsfeldern der Architektur. Öffentliche Freiflächen sind einer der wichtigsten Aspekte des Stadtlebens74 und ihre Attraktivität beeinflusst die Sichtweise der Menschen auf die Stadt. Darüber hinaus werden Städte als angenehm und einladend für die Menschen wahrgenommen. HPPM-Streifen können zur Herstellung architektonischer Formen in öffentlichen Räumen verwendet werden, beispielsweise für dekorative Gehwege in wissenschaftlichen Zentren, Einkaufszentren, Toiletten, Promenaden, Zoos und Gärten, Bushaltestellen, Parkplätzen, Fährterminals, Felsen, Strandbereichen, Landschaften und Türen Umgebung und Skateparks. Schließlich sollten die Eigenschaften der in diesen Räumen verwendeten Materialien berücksichtigt werden.

Derzeit werden verschiedene effiziente Methoden zur Reinigung des gesammelten HPPM eingesetzt, um die Bauindustrie davon zu überzeugen, Masken und andere PSA-Abfälle ohne das Risiko einer Krankheitsübertragung zu verwenden. Diese Techniken sind wie folgt:

Um den durch die COVID-19-Pandemie verursachten Versorgungsengpässen entgegenzuwirken, hat die FDA in den Vereinigten Staaten Wasserstoffperoxid in Dampf (VH2O2) für die Hochdurchsatz-Dekontamination von PSA zugelassen, entweder allein oder in Kombination mit Ozon.

UVC-Dekontaminationstechniken, insbesondere solche, die diese Wellenlänge nutzen, können auch als potenzielle HPPM-Dekontaminationsmethode eingesetzt werden. Um eine Prozessharmonisierung zu vermeiden, werden auch andere UV-Technologien eingesetzt.

Feuchtes Erhitzen auf 60–70 °C für 60 Minuten in Verbindung mit hoher Luftfeuchtigkeit ist eine praktikable Dekontaminationstechnologie für HPPM, da sie Skalierbarkeit und Verarbeitung mit hohem Durchsatz bietet. Für die Dekontamination von PSA wäre mikrowellenerzeugter Dampf wirkungslos.

Physikalische Bestrahlungsmethoden wie Ethylenoxid, Elektronenstrahlen und Gammastrahlung sind für das Recycling von HPPM75 nutzlos.

Die in früheren Studien verwendeten Materialien unterschieden sich in Größe und Längen-/Breitenverhältnis. Kilmartin-Lynch et al.12 haben winzige Stücke mit einer Länge von 2 cm und einer Breite von 0,5 cm verwendet. Koniorczyk et al.13 verwendeten Proben mit einer Länge von 0,5 cm und einer Breite von 0,4 cm, während Ran et al.15 Proben mit einer Länge von 2 cm und einer Breite von 0,4 cm verwendeten. In diesem Artikel wurde das HPPM in kleine Stücke mit einer Länge von 1 cm und einer Breite von 1 cm geschnitten. Der Umfang dieser Arbeit umfasst nicht den Größeneffekt und den Längen-/Breitenverhältniseffekt, die in zukünftigen Arbeiten weiterer Untersuchung bedürfen.

Die Hauptfunktion von HPPM-Streifen im Betonbau besteht darin, plastische Schwindrisse zu reduzieren. Durch Veränderungen der Mischung können viele Eigenschaften von HPPM-Faserbeton verbessert werden. Bestimmte Eigenschaften haben jedoch unbedeutende Auswirkungen oder sind schwer zu beurteilen. Bemerkenswert ist, dass die Schlussfolgerung, dass ein höherer HPPM-Fasergehalt zu besseren Eigenschaften führt, nicht immer richtig ist und eine übermäßige Menge an Fasern zu einer erheblichen Verschlechterung führen kann. Beispielsweise verbessern Polypropylenfasern die Materialeigenschaften bis zu einer bestimmten Dosierung, deren Überschreitung schädliche Folgen hat. Bei der Bestimmung des idealen HPPM-Fasergehalts ist es entscheidend, die Zusammensetzung der Mischung und die Faserqualität zu berücksichtigen. HPPM-Faserbetonanwendungen im öffentlichen Raum sind ein vielversprechendes Feld. Da Beton widrigen Umwelteinflüssen, Beschädigungen, Abrieb der Oberfläche und Vandalismus ausgesetzt ist, ist die Verwendung von Beton mit verbesserter Qualität auf jeden Fall von Vorteil.

In nachhaltigem Beton wurden unterschiedliche Anteile an Eisenabfällen (0, 0,5, 1, 1,5, 2,0 und 2,5 %) eingesetzt. Untersucht wurden Setzmaß, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit, Abriebfestigkeit, Schlagfestigkeit, Sorptivität, Abplatztest, Wasseraufnahme, Porosität, Wasserpenetration, Permeabilität und UPV. Basierend auf den Ergebnissen dieser Experimente wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen.

Wenn der Betonmischung HPPM-Fasern zugesetzt werden, verringern sie die Verarbeitbarkeit des neuen Betons und haben das Potenzial, einige der mechanischen Eigenschaften des Betons zu verbessern, wenn sie in kleinen Mengen verwendet werden.

Im Vergleich zur Kontrollmischung verbesserte HPPM die Gesamtqualität des Betons, da die Fasern gleichmäßiger verteilt waren, was zu höheren Druck- und Biegefestigkeiten führte. Da es die Bewegungen auf Mikroebene im Beton durch die Überbrückung und Vernähung feiner Risse einschränkte, verringerte HPPM das Trocknungsschwinden und die frühe Rissbildung im Beton. Die Mischung mit 2 % HPPM-Faseranteil ergab die höchsten Druck- und Biegefestigkeiten.

XRD zeigte, dass sich nach dem Einbringen von PP-Fasern weder Ca(CO)3 noch Ca(OH)2 nennenswert veränderte. Dies zeigt, dass die Fasern nicht in der Lage sind, an chemischen Reaktionen teilzunehmen. Das Vorhandensein von Fasern führt zu einer erheblichen Veränderung des Rissbildes des Betons. Während unbewehrter Beton breite und lange Risse bildet, verringert der Einschluss von Fasern die Rissbreite, die Rissfläche und die Rissausbreitung durch die Brückenbildungsaktivität der Fasern. Rissnetze werden durch die Hinzufügung der Fasern weniger vernetzt.

Die Wasseraufnahme im Festbeton wird verringert, wenn der Betonmischung HPPM-Streifen und -Fasern separat in geringen Volumenanteilen zugesetzt werden. Darüber hinaus reduzierte die Verwendung von HPPM-Fasern in kleinen Volumenanteilen die Porosität der Betonproben. Unter allen Betonproben wies der Beton mit 2 % HPPM-Fasern die niedrigste Wasseraufnahme und Porosität auf. Unabhängig von der Volumenkonzentration des HPPM unterlagen alle Betonmischungen dem gleichen hohen Standard an hervorragender Qualität und struktureller Festigkeit.

Laut einer Betonmikrostrukturstudie breiten sich Mikrofrakturen mit HPPM entlang des Betons aus. Wie in REM-Bildern gezeigt, spielen HPPM-Fasern (2 %) eine wichtige Rolle bei der Bruchüberbrückung. Wenn jedoch der Volumenanteil der Fasern höher ist (2,5 % des HPPM), bilden sich Hohlräume zwischen dem Zementleim und den Fasern, die die Festigkeitseigenschaften des Betons verringern. Dadurch kann HPPM zur Herstellung von nachhaltigem Beton und zur Herstellung eines sauberen, umweltfreundlichen Baumaterials genutzt werden. Darüber hinaus wurden die in dieser Studie verwendeten HPPM-Fasern als kurz oder diskontinuierlich klassifiziert, was zu einer erhöhten UCS-, FS- und Abriebfestigkeit führen könnte.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Streifen aus Polypropylen

Gesunde persönliche Schutzmaterialien

Einweg-Gesichtsmaske

Einachsige Druckfestigkeit

Biegefestigkeit

Ultraschall-Pulsgeschwindigkeit

Rasterelektronenmikroskop

Röntgenbeugungsmuster

Porosität

Wasseraufnahme

Schlagfestigkeit

Abriebfestigkeit

Sorptivitätskoeffizienten

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Die Publikation wurde gefördert durch den Forschungsschwerpunkt Anthropozän im Rahmen des Programms „Exzellenzinitiative – Forschungsuniversität“ an der Jagiellonen-Universität in Krakau, Polen. Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der Universität Najran für die Finanzierung dieser Arbeit im Rahmen des Förderprogramms des Najran Region Research Program Funding Code (NU/NAR/SERC/11/34). Vielen Dank an den Herausgeber, Dr. Farhad Aslani, für die Bearbeitung unseres Artikels und an die vier Rezensenten für ihre konstruktiven Kommentare, die zur Verbesserung unseres Artikels beigetragen haben.

Abteilung für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Najran, Najran, Königreich Saudi-Arabien

Ahmed Abd El Aal & Amr Fenais

Forschungszentrum für fortgeschrittene Materialien und Nanotechnologie, Najran-Universität, Najran, Königreich Saudi-Arabien

Mabkhoot A. Alsaiari

Forschungseinheit „Leeres Viertel“, Fachbereich Chemie, Fakultät für Naturwissenschaften und Künste in Sharurah, Najran-Universität, Najran, Königreich Saudi-Arabien

Mabkhoot A. Alsaiari

Fakultät für Geographie und Geologie, Institut für Geologische Wissenschaften, Jagiellonen-Universität, Gronostajowa 3a, 30-387, Krakau, Polen

Ahmed E. Radwan

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AAEA: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Untersuchung, Analyse, Schreiben – Vorbereitung, Überprüfung und Bearbeitung des Originalentwurfs, MAA: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Schreiben der Untersuchung – Vorbereitung, Überprüfung und Bearbeitung des Originalentwurfs, AER: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Untersuchung , Analyse, Schreiben – Vorbereitung, Überprüfung und Bearbeitung des Originalentwurfs, AF: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Verfassen von Untersuchungen – Vorbereitung, Überprüfung und Bearbeitung des Originalentwurfs.

Korrespondenz mit Ahmed E. Radwan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

El Aal, AA, Alsaiari, MA, Radwan, AE et al. Intelligente Abfallwirtschaftsperspektive von COVID-19-gesunden persönlichen Schutzmaterialien aus Beton für dekorative Landschaftspflaster und künstliche Felsen. Sci Rep 13, 2904 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30104-1

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Eingegangen: 29. Juli 2022

Angenommen: 15. Februar 2023

Veröffentlicht: 18. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30104-1

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