Recycled polypropylene fibre-reinforced concrete: from recyclability and recoverability to materials and application

Abstract

(English) In recent decades, fibre-reinforced concrete (FRC) has played a significant role in construction due to its enhanced residual flexural tensile strength in comparison to plain concrete. However, with the increasing use of FRC, the dismantling of FRC structures is becoming an important challenge. Unlike plain and reinforced concrete, the recycling of FRC produces two primary by-products: recycled fibres and recycled aggregates with embedded fibres. Despite its significance, limited research has been conducted on the reuse of these by-products in new concrete. To address this research gap, this thesis focuses on polypropylene fibre-reinforced concrete (PPFRC) as a case study and examines its recycling process and the reuse of the resulting recycled materials. Initially, PPFRC was produced (parent concrete) and recycled by analysing the quantity and morphology of the recovered fibres and recycled aggregates. These recycled materials were used to produce new concrete (with recycled aggregates and recycled fibres) that was characterized, and the results were compared with the mechanical properties of the parent concrete. The findings revealed that the properties of concrete using recycled materials were reduced to different extends compared with the parent concrete. However, when different ratios of recycled fibres were incorporated into concrete, the mechanical properties showed significant improvement compared to using 100% recovered fibres, particularly at a fibre content of 3 kg/m³. Moreover, hybrid -virgin and recycled- fibre concretes outperformed those made entirely with virgin fibres. Thus, under certain conditions, it is feasible to replace virgin fibres with recovered fibres while maintaining or even enhancing mechanical performance. Furthermore, this thesis compares the mechanical properties and microstructure of new FRC made with recycled FRC aggregates to concretes made with natural aggregates and conventional recycled concrete aggregates. Concrete incorporating recycled FRC aggregates demonstrated advantages in fibre distribution at lower fibre contents. However, at higher fibre contents, the embedded fibres were found to have a detrimental effect. Micrographs and chemical dot plots revealed unique characteristics at the interface between the recycled aggregates and the fresh cement paste, highlighting changes in hydration and porosity compared to samples made with natural aggregates and conventional recycled aggregates. Future work on recycled FRC could include exploring the durability and long-term stability of the material, as well as investigating the potential application of recycled fine aggregates in concretes.

(Català) En les darreres dècades, el formigó armat amb fibres (FRC) ha tingut un paper significatiu en la construcció gràcies a la seva resistència a tracció residual millorada en comparació amb el formigó convencional. No obstant això, amb l’augment de l’ús del FRC, el desmantellament d'estructures construïdes amb aquest material s’ha convertit en un repte important. A diferència del formigó convencional i el formigó armat amb barres, el reciclatge del FRC genera dos subproductes principals: fibres reciclades i àrids reciclats amb fibres incrustades. Malgrat la seva rellevància, s’ha dut a terme una recerca limitada sobre la reutilització d’aquests subproductes en nous formigons. Per abordar aquest buit en la investigació, aquesta tesi se centra en el formigó armat amb fibres de polipropilè (PPFRC) com a cas d’estudi i examina el procés de reciclatge i la reutilització dels materials reciclats resultants. Inicialment, es va produir PPFRC (formigó original) i es va reciclar analitzant la quantitat i la morfologia de les fibres i els àrids reciclats recuperats. Aquests materials reciclats es van utilitzar per produir un nou formigó (amb àrids reciclats i fibres reciclades), que es va caracteritzar, i els resultats es van comparar amb les propietats mecàniques del formigó original. Els resultats van revelar que les propietats del formigó amb materials reciclats es reduïen en diferents graus en comparació amb el formigó original. No obstant això, quan es van incorporar diferents proporcions de fibres reciclades al formigó, les propietats mecàniques van mostrar una millora significativa en comparació amb l'ús exclusiu de fibres recuperades, especialment amb un contingut de fibres de 3 kg/m³. A més, els formigons híbrids —amb fibres verges i reciclades— van superar els produïts exclusivament amb fibres verges. Per tant, sota certes condicions, és factible substituir les fibres verges per fibres recuperades mantenint o fins i tot millorant el rendiment mecànic. A més, aquesta tesi compara les propietats mecàniques i la microestructura dels nous FRC produïts amb àrids reciclats de FRC amb formigons elaborats amb àrids naturals i àrids reciclats convencionals. El formigó que incorpora àrids reciclats de FRC va demostrar avantatges en la distribució de fibres a baixos continguts de fibra. No obstant això, a alts continguts de fibra, les fibres incrustades van tenir un efecte perjudicial. Les micrografies i els mapes químics puntuals van revelar característiques úniques a la interfície entre els àrids reciclats i la pasta de ciment fresca, destacant canvis en la hidratació i la porositat en comparació amb mostres elaborades amb àrids naturals i àrids reciclats convencionals. Futures línies de recerca sobre el FRC reciclat podrien incloure l’exploració de la durabilitat i l’estabilitat a llarg termini del material, així com la investigació del potencial d’aplicació dels àrids fins reciclats en nous formigons.

(Español) En las últimas décadas, el hormigón reforzado con fibras (FRC, por sus siglas en inglés) ha desempeñado un papel significativo en la construcción debido a su mejorada resistencia a tracción en régimen post-fisurado. Sin embargo, con el uso creciente del FRC, el desmantelamiento de estructuras de hormigón reforzado con fibras se está convirtiendo en un reto tecnológico. A diferencia del hormigón en masa y el hormigón reforzado convencional, el reciclaje del FRC produce dos subproductos principales: fibras recicladas y áridos reciclados con fibras embebidas. A pesar de su importancia, se ha realizado poca investigación sobre la reutilización de estos subproductos en el FRC. Para abordar este vacío en este campo de la investigación, esta tesis se centra en el hormigón reforzado con macrofibras de polipropileno (PPFRC, por sus siglas en inglés) y se examina su proceso de reciclaje y la reutilización de los materiales reciclados resultantes. Inicialmente, se produjeron PPFRC (hormigón de referencia) que fueron reciclados, y se analizó la cantidad y la morfología de las fibras recuperadas y de los áridos reciclados. Estos materiales reciclados se emplearon para fabricar nuevos hormigones y su caracterización en fresco y endurecido. Los resultados obtenidos se compararon con las propiedades mecánicas del hormigón de referencia. Los resultados pusieron de manifiesto que las propiedades del hormigón con áridos y fibras recicladas se redujeron -en distintos grados- en comparación con las del hormigón de referencia. Sin embargo, cuando se incorporaron diferentes proporciones de fibras recicladas en el hormigón, las propiedades mecánicas mostraron mejoras significativas en comparación con el uso exclusivo de 100% de fibras recuperadas, especialmente con un contenido de fibras de 3 kg/m³. Además, los hormigones híbridos -fibras vírgenes y fibras recuperadas- superaron a aquéllos compuestos únicamente por fibras vírgenes. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones, es factible reemplazar fibras vírgenes por fibras recicladas, manteniendo o incluso mejorando el rendimiento mecánico. Además, en esta tesis se comparan las propiedades mecánicas y la microestructura de los nuevos hormigones con áridos y fibras recicladas -ambos provenientes de hormigones reforzados con fibras- frente a hormigones elaborados con áridos naturales y áridos reciclados convencionales. El hormigón con áridos reciclados provenientes de hormigón reforzado con fibras demostró ventajas en relación con la distribución de fibras para bajos contenidos. Sin embargo, a contenidos más altos de fibras, las fibras embebidas resultaron tener un efecto perjudicial en cuanto a la distribución y la respuesta mecánica a tracción -en régimen fisurado-. Los resultados de las micrografías y ensayos químicos llevados a cabo pusieron de manifiesto características únicas en la interfaz entre los áridos reciclados y la pasta de cemento fresca, destacando cambios en la hidratación y la porosidad en comparación con las muestras elaboradas con áridos naturales y áridos reciclados convencionales. Los trabajos futuros sobre el hormigón reforzado con fibras recicladas deberían abordar el estudio experimental de la durabilidad y estabilidad a largo plazo del material, así como la investigación de la posible aplicación de áridos finos reciclados en nuevos hormigones.