Mechanical behaviors of high-density polyethylene (HDPE) fiber reinforced cement mortar

Abstract

In material science, advanced composites and the fundamental understanding of mechanical behavior is a rapidly expanding branch within the field of science and engineering materials. Fiber-reinforced cement composites have played a dominant role for a long time in a variety of applications for their high specific strength and modulus. Fiber reinforced cement composites has so far been successfully used in many applications such as slabs on grade, shotcrete, architectural panels, precast products, offshore structures, structures in seismic regions, thin and thick repairs, crash barriers, footings, hydraulic structures. Polyethylene has very high potential for producing high modulus and high strength fibers. Polyethylene fiber produced by melt spinning is commercially available and has been around for quite some time. To produce stronger fibers, polyethylene needs to be drawn to very high draw ratio exceeding that used in conventional fiber production. This research evaluates the effect of melt spinning ultra-draw HDPE fiber using as the reinforced material in cement mortar. A whole set of experimental data were created reference to the efficiency of using HDPE fiber reinforced on the tensile, flexural and toughness properties of cement mortar with different high drawn ratio of HDPE fibers. The fiber with the different drawn ratio10x (d10 with E xx), 25x (d25 with E xx), and 35x (d35 with E xx) fiber volume fraction (0.5%, 1.0%, 1.5%) and fiber length (5 mm., 10 mm., 15 mm., 20 mm.) were used and the stress - strain displacement relationship behavior of HDPE short fiber reinforced cement mortar were investigated. It was found that the high drawn ratio of HDPE fiber show more improvement in tensile strength and toughness than the low drawn ratio of HDPE fiber when reinforced in cement mortar. In this research, consideration the efficiency HDPE fiber reinforced cement mortar, HDPE fiber D25 is suitable for fiber volume fraction v1.5% and fiber length 20 mm. The HDPE fiber D35 is suitable for fiber volume fraction v1.0% and fiber length 15 mm.

ในความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ของวัสดุเชิงประกอบ และพื้นฐานในความเข้าใจของพฤติกรรม ทางกลสมบัติชองวัสดุ ได้ถูกพัฒนาขยายตัวในด้านวิทยาศาสตร์ และวิศวกรรมทางวัสดุอย่างต่อเนื่อง ปัจจัยด้าน ความกำลังแรงดึงและโมดูลัสอิลาสติกที่สูง มีความโดดเด่นต่อการประยุกต์ใช้เส้นใยเสริมแรงในวัสดุซีเมนต์ผสาน ในหลาย ๆ ลักษณะ ได้แก่ งานพื้นทางลาด, ชิ้นส่วนงานสถาปัตยกรรม, ชิ้นส่วนอัดแรง, โครงสร้างส่วนแผ่นดินไหว, งานซ่อมที่มีความหนาบาง, แผ่นกั้นกันกระแทรก, งานฐานราก และโครงสร้างชลประทาน เป็นต้น ด้วยศักยภาพที่ดีของพอลิเมอร์โพลิเอสเทอลีนที่สามารถเพิ่มโมดูลัสและแรงดึงสูงในการทำเส้นใย จากกรรมวิธีการหลอมเม็ดพลาสติกและปั่นดึงเส้นจากเม็ดพอลิเมอร์โพลิเอสเทอลีน โดยเพิ่มความเร็วรอบจากการดึงเส้นใย เพื่อให้ได้กำลังของเส้นใยที่สูงเพิ่มขึ้น การวิจัยนี้เป็นการศึกษาและประเมินประสิทธิผลของการใช้เทคนิคการดึงผลิตเส้นใย HDPE ด้วยอัตรารอบแรงดึงที่สูงต่าง ๆ กัน เพื่อใช้เป็นเส้นใยเสริมแรงในวัสดุซีเมนต์มอร์ต้า โดยตัวอย่างการทดลองและการทดสอบทั้งหมดอ้างอิงในด้านประสิทธิภาพการเสริมรับแรงดึง, แรงดัด, และค่า คุณสมบัติความเหนียว ในวัสดุเชิงประกอบเส้นใยเสริมซีเมนต์มอร์ต้า ด้วยอัตรารอบแรงดึงในตัวเส้นใย HDPE ที่ ต่างกัน สำหรับความแตกต่างในอัตรารอบแรงดึง 10 เท่า ใช้สัญลักษณ์แทน d10, อัตรารอบแรงดึง 25 เท่า ใช้ สัญลักษณ์แทน d25, และอัตรารอบแรงดึง 35 เท่า ใช้สัญลักษณ์แทน d35 สำหรับค่าปริมาณสัดส่วนผสมเพิ่มของ เส้นใยที่อัตราส่วน 0.5%, 1.0%, 1.5% สำหรับค่าความยาวของเส้นใยที่ขนาด 5 มม., 10 มม., 15 มม., 20 มม., ซึ่งศึกษาพฤติกรรมการรับแรงของเส้นใย HDPE เสริมแรง โดยอาศัยเส้นความสัมพันธ์ระหว่าง ค่าความเค้นกับความเครียดหรือการเปลี่ยนรูป ในการศึกษาวิจัยนี้พบว่า การใช้เส้นใย HDPE ที่มีอัตรารอบแรงดึงในเส้นใยสูง จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของคุณสมบัติการรับแรงดึง และค่าคุณสมบัติความเหนียวของการเสริมแรงใช้วัสดุซีเมนต์มอร์ต้าได้ดีกว่า เส้นใยHDPEที่มีอัตรารอบแรงดึงที่ต่ำกว่าที่เป็นเส้นใยที่ใช้โดยทั่วไปในปัจจุบัน ในการวิจัยนี้ ประสิทธิผลของการใช้เส้นใย HDPE เสริมแรงในซีเมนต์มอร์ต้า พบว่า เส้นใยHDPE ชนิด D25 เหมาะสมกับปริมาตรสัดส่วนผสมที่ 1.5% ขนาดความยาวเส้นใย 20 มม .และเส้นใย HDPE ชนิด D35 เหมาะสมกับปริมาตรสัดส่วนผสมที่ 1.0% ขนาดความยาวเส้ยใย 15 มม.