Sustainability, durability and mechanical characterization of a new recycled textile-reinforced strain-hardening cementitious composite for building applications

Abstract

Cementitious materials have one of the highest compressive strength-to-weight ratios compared to other construction materials. Nonetheless, both tensile strength capacity and toughness result to be an order of magnitude less respect to the former, which thereby leads to cracking under tensile stresses caused by service loads. This lack of tensile strength capacity of the material leads to cracking and fragile failure in case the material is insufficiently reinforced. Within this context, fibers can be used in cementitious matrices aiming at enhancing the toughness, energy absorption capacity, post-cracking behavior as well as flexural and tensile strength. Although during the past decades, various types of fibers such as asbestos, steel, glass, and polymeric have been tested in brittle matrices, there have been some disadvantages such as detrimental health effects, high cost, and specifically, substantial environmental footprint. Likewise, based on the statistics, the construction sector is responsible for about 40% of the European Union's total final energy consumption, 35% of its total CO2 emissions, and 45% of waste generation. That is why significant efforts should be devoted to applying the ‘3Rs’ concept of reducing, reusing, and recycling in the building sector and material fabrication. On the other hand, the textile leftover is one of the predominant waste resources worldwide while only less than 20% is being recycled. The textile industry produces textile wastes (TW) from the primary stages of garment production (pre-consumer waste such as fiber, yarn, and fabric) to the end of its useful life (post-consumer waste: discarded clothes). Thus, the reuse of this textile waste in construction is becoming interesting and convenient due to the shortage of natural mineral resources and increasing waste disposal costs. Recently, sustainable fibers produced from renewable, biodegradable, waste, recycled, available, and low-cost resources becoming a focal point. In this sense, vegetable and cellulosic fibers have already been used as reinforcement in cementitious materials for low- to medium-performance structural applications. TW fiber could be another sustainable alternative for reinforcement in cementitious composites. In view of the abovementioned, this research comprehensively verifies, by means of physical, mechanical, and durability-based material characterization tests, the possibility of incorporation of short TW fiber as well as the nonwoven TW fabric in the cementitious composites as internal reinforcement to produce a sustainable, ductile, and durable composite to be used in building applications. In this regard, several experimental tests were carried out on different mix design samples to characterize the mechanical, microstructural, durability, thermal, acoustic, fire, and shrinkage properties. The results have shown that the recycled TW fiber, especially in the form of nonwoven fabric, could be a technically feasible, sustainable, and durable reinforcement to be used in the cementitious mortar for low to medium-performance structural applications (e.g., façade panels, roofing, raised floors, and masonry structures). Further, the sustainability of the optimum composite as a façade cladding panel (as an example of one projected application) was assessed through the MIVES, a new comprehensive and integrated Multi-Criteria Decision-Making method that embraces the three pillars of sustainability: economic, environmental, and social. Future works on this kind of fiber-reinforced cementitious mortar could be to develop a numerical model simulation or produce a 3D concrete printing (3DCP) prototype by employing additive manufacturing technology.

Los materiales cementosos tienen una de las más altas resistencias a la compresión comparada con la de otros materiales de construcción. No obstante, tanto la capacidad de resistencia a la tracción como la tenacidad resultan ser un orden de magnitud menor que la primera, lo que conduce a la fisuración bajo los esfuerzos de tracción provocados por las bajas cargas de servicio. Esta falta de capacidad de resistencia a la tracción puede provocar grietas y roturas frágiles.. Por esta razón, las fibras se han utilizado predominantemente en matrices cementosas con el objetivo de mejorar la tenacidad, la capacidad de absorción de energía, el comportamiento posterior al agrietamiento y la resistencia a la flexión y a la tracción. Aunque durante las últimas décadas, se han probado varios tipos de fibras como asbesto, acero, vidrio y polímeros en matrices frágiles. Algunas de ellas presentan algunas desventajas como efectos perjudiciales para la salud, alto costo y, específicamente, una huella ambiental sustancial. Asimismo, según las estadísticas, el sector de la construcción es responsable de cerca del 40% del consumo total de energía final de la Unión Europea, el 35% de sus emisiones totales de CO2 y el 45% de la generación de residuos. Es por eso que se deben dedicar esfuerzos significativos a aplicar el concepto de las '3R' de reducción, reutilización y reciclaje en el sector de la construcción y la fabricación de materiales. Por otro lado, el sobrante textil es uno de los residuos predominantes a nivel mundial del cual se recicla menos del 20%. La industria textil produce residuos textiles (TW) desde las etapas primarias de la producción de prendas de vestir (restos previos al consumo, como fibras, hilados y telas) hasta el final de su vida útil (excedentes posteriores al consumo: ropa desechada). Así, la reutilización de estos residuos textiles en la construcción se está volviendo interesante y conveniente debido a la escasez de recursos minerales naturales y al aumento de los costes de eliminación de residuos. Recientemente, las fibras sostenibles producidas a partir de recursos renovables, biodegradables, de desecho, reciclados, disponibles y de bajo costo estan adquiriendo protagonismo. En este sentido, las fibras vegetales y celulósicas ya se han utilizado como refuerzo en materiales cementosos para aplicaciones de baja y media resistencia. La fibra TW podría ser otra alternativa sostenible para el refuerzo en compuestos cementosos. En vista de lo anterior, esta investigación verifica exhaustivamente la posibilidad de incorporar fibra corta de TW, así como fieltros de TW en los compuestos cementosos como refuerzo interno para producir un compuesto sostenible, dúctil y duradero para ser utilizado en aplicaciones de construcción. Se realizaron varios ensayos experimentales sobre diferentes muestras para caracterizar las propiedades mecánicas, microestructurales, de durabilidad, térmicas, acústicas, al fuego y de contracción. Los resultados han demostrado que la fibra de TW reciclada, especialmente en forma de fieltro, podría ser un refuerzo técnicamente factible, sostenible y duradero para ser utilizado en el mortero cementoso para aplicaciones estructurales de rendimiento bajo a medio (por ejemplo, paneles de fachada, techos, pisos elevados y estructuras de mampostería). Además, la sostenibilidad del compuesto óptimo destinado a panel de revestimiento para fachada ventilada (como ejemplo de aplicación) se evaluó a través de MIVES, un nuevo método integral e integrado de toma de decisiones de criterios múltiples que abarca los tres pilares de la sostenibilidad: económico, ambiental y social. La investigación futura en este tipo de mortero cementoso reforzado con fibra podría ser el desarrollo de modelos de simulación numérica o la formulación específica de material para impresión de hormigón 3D mediante el empleo de tecnología de fabricación aditiva.