Feasibility of using flax fibers to enhance fresh and hardened properties of high-performance concrete

Abstract

Abstract: The sustainability of using flax fibers in concrete has been proven due to their non-hazardous nature, renewability, low cost, low density, and relatively high strength. However, the cementitious matrices incorporating flax fiber are prone to fresh and hardened issues caused by fiber clumping and shrinkage. The main objective of this thesis is to investigate and improve the behavior of cementitious matrices incorporating flax fibers. First, the effect of mixing methods and treated flax fiber on mortars' fresh and mechanical properties were studied. The performance of flax fiber mixtures was compared with those made with synthetic fibers. Then, the feasibility of the adsorption and desorption capacity of flax fibers as a superplasticizer carrier during the mixing procedure was investigated. This stage of the analysis provides insights into how the flax fibers can be dispersed as a result due to the repulsion induced by the absorbed superplasticizers on the fiber's subsurface; the released plasticizers on the fiber's surface into the mixtures can act as an internal re-tempering source to maintain the flowability of mixtures. Finally, the effect of flax fibers as an internal curing agent was evaluated and compared with commercially available internal curing agents. The application target for this stage is high-performance concrete (HPC) which is more susceptible to early-age autogenous shrinkage and self-desiccation. As a result of the first stage, an empirical mixing method is proposed to achieve better flowability and dispersion of flax fiber in the mixtures by adjusting the speed and time of mixing. The absorption and desorption behavior of flax fibers incorporating two different superplasticizers were investigated, and polycarboxylate was found as the most suitable choice for superplasticizer coating on flax fibers. The results showed the flax fibers desorb up to 2% of superplasticizer in alkali solution. The use of flax fibers as a superplasticizer carrier improved flowability, fiber dispersion, slump loss, and the mechanical properties of HPC. The obtained results of MIP showed that flax fibers in concrete mixtures increase the capillary pores, and the flax fibers were coated with 2% polycarboxylate used in HPC, and the autogenous shrinkage results showed they could mitigate around 30% compared to the mixture without any fibers. The water desorption results show that the alkali-treated flax fibers can desorb more than 95% of the absorbed water content during the first 7-days. Therefore, alkali-treated flax fibers can be viewed as a viable tool for mitigating autogenous shrinkage, thereby offering a green alternative of internal curing agents promoting the sustainability of the built environment. This work shows the potential of leveraging a valuable natural by-product, namely flax fiber, to enhance the fresh and hardened properties of traditional and modern cementitious mixtures. The implication of flax fibers as a renewable source of materials can be used as a scalable solution for improving the sustainability of mixed designs without compromising performance metrics. This research will enable concrete contractors to use a low-cost and sustainable material for the internal curing of high-performance concrete. The proposed methods do not involve complex chemical processing. They will reduce the use of existing industrial materials whose production stages consume a significant amount of energy. In addition, the long transportation distance of the high-performance concrete from batching plant to the construction sites may result in severe slump loss. The application of these retarders generally prolongs the setting time and decreases the early age strength of the mixtures. The use of flax fibers as a superplasticizer carrier helps to uniformly disperse the flax fibers in the mixture and release the superplasticizer polymers gradually to enhance slump loss in high-performance concrete.

La durabilité de l'utilisation de fibres de lin dans le béton a été prouvée en raison de caractère non dangereux , de leur capacité de renouvellement, de leur faible coût, de leur faible densité et de leur résistance relativement élevée. En revanche, les matrices cimentaires intégrant de la fibre de lin sont sujettes à des problèmes à l’état frais et durcis causés par l'agglutination et le rétrécissement des fibres. L'objectif visé de cette thèse est d'étudier et d'améliorer le comportement des matrices cimentaires intégrant des fibres de lin. À cet effet, d’aborde l'effet des méthodes de mélange et de la fibre de lin traitée sur les propriétés fraîches et mécaniques des mortiers a été examiné. Les performances des mélanges de fibres de lin ont été comparées à celles faites avec des fibres synthétiques. Ensuite, la possibilité de tirer parti de la capacité d'absorption des fibres de lin comme support de superplastifiant pendant la procédure de mélange. Cette étape permet de mieux comprendre comment les fibres de lin peuvent être dispersées à la suite de la répulsion induite par les superplastifiants absorbés à la surface de la fibre. En plus, les superplastifiants libérés de la surface des fibres dans les mélanges peuvent fonctionner comme une source de recuit interne pour maintenir la fluidité des mélanges. Enfin, l'effet des fibres de lin en tant qu'agent de durcissement interne a été mesuré et comparé aux agents de durcissement internes disponibles commercialement. L'application cible dans cette étape est le béton haute performance (BHP) qui est plus sensible au rétrécissement autogène précoce et à l'auto-dessiccation. À la suite de la première étape, une méthode de mélange empirique est proposée pour obtenir une meilleure fluidité et une meilleure dispersion de la fibre de lin dans les mélanges en adaptant la vitesse et le temps de mélange. Le comportement d'adsorption et de désorption des fibres de lin intégrant trois superplastifiants différents a été examiné et le polycarboxylate a été trouvé comme le choix le plus approprié pour le vernissage de superplastifiant sur les fibres de lin. Les résultats montrent que les fibres de lin désorbent jusqu'à 2% de solution alcaline. Une addition de plus de 2% n'a pas montré de désorption supplémentaire. L'utilisation de fibres de lin comme support de superplastifiant a amélioré la fluidité, la dispersion des fibres et la perte d'affaissement, ainsi que les propriétés mécaniques du BHP. Les résultats montrent que l'utilisation de fibres de lin dans les mélanges de béton augmente les pores capillaires et le rétrécissement autogène a été réduit de 30% par rapport aux mélanges sans fibres. Les résultats de la désorption de l'eau montrent que les fibres de lin traitées aux alcalis peuvent désorber plus de 95% de l'eau absorbée pendant les 7 premiers jours de l’âge du béton. Enfin, les fibres de lin ont été enduites de 2% de polycarboxylate utilisé dans le BHP, et les résultats de rétrécissement autogène ont montré qu'elles peuvent diminuer d'environ 30%. En conséquence, les fibres de lin traitées aux alcalis peuvent être considérées comme des outils viables pour diminuer le rétrécissement autogène, offrant donc une alternative verte en faveur de la durabilité de l'environnement bâti. Notre étude montre clairement le potentiel de tirer parti d'un sous-produit naturel précieux à savoir la fibre de lin, pour améliorer les propriétés fraîches et durcies des mélanges de ciment traditionnels et modernes. L'implication des fibres de lin en tant que source renouvelable de matériaux peut être une solution évolutive pour améliorer la durabilité des conceptions de mélanges sans compromettre les mesures de performance. Le résultat de cette recherche permettra aux entrepreneurs de béton d'utiliser un matériau bon marché et durable pour le durcissement interne du béton haute performance. Les méthodes proposées n'impliquent pas de traitement chimique complexe et permettront de réduire l'utilisation de matériaux industriels existants dont les étapes de production consomment une quantité importante d'énergie. En outre, la longue distance de transport du béton haute performance de la centrale à béton aux chantiers de construction peut entraîner de pertes graves d'affaissement qui sont généralement compensées par des adjuvants ralentisseurs. L'application de ces ralentisseurs prolonge généralement le temps de prise et diminue la résistance à l’âge précoce des mélanges. L'utilisation de fibres de lin comme support de superplastifiant permet non seulement de disperser uniformément les fibres de lin dans le mélange, mais aussi peut également compenser la perte d'affaissement dans le béton haute performance.