A dissertation submitted to the Faculty of Engineering and the built environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering Johannesburg, October 2017 / An investigation was carried out to determine the effect of the addition of clay on the mechanical properties of a Natural Fibre Composite consisting of a polypropylene matrix with kenaf fibre reinforcement. The kenaf fibres were treated using various chemical treatments to improve the strength of the composites manufactured. Four treatments using different 3-mercaptopropyltrimethoxy silane (MPS) concentrations were investigated to determine which treatment resulted in the best mechanical properties. [Abbreviated Abstract. Open document to view full version] / MT 2018

Este trabalho aborda o comportamento de dois solos (uma argila e uma areia), reforçados com fibras plásticas de polipropileno. Os solos foram compactados no teor de umidade ótimo e peso específico seco máximo e foram misturados com fibras de diferentes teores e comprimentos. Os resultados dos ensaios de compressão simples foram usados para selecionar os teores e comprimentos ótimos de fibras. Os resultados mostraram que a resistência do solo arenoso cresceu com o aumento do teor e comprimento das fibras e o solo argiloso apresentou acréscimo de resistência, com o aumento do teor até o comprimento de fibra de 10 mm. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais, para solos com e sem reforço foram similares, com uma resistência de pico definida e pequena redução de queda de tensão pós pico. As amostras de solo arenoso apresentaram considerável aumento de resistência, com o aumento do teor e comprimento das fibras. Pequenos painéis, fabricados com o solo argiloso (300 x 300 x 100) mm, mostraram que a presença da fibra pode reduzir a magnitude das trincas quando comparados com o solo sem reforço. / This work presents the behavior of two soils (clay and sandy) reinforced with polypropylene plastic fibers. The soils were compacted at the optimum moisture content and maximum dry unit weight and were mixed with fibers of different lengths and contents. Unconfined compressive tests results were used to select the optimum fiber length and content. The results showed that the granular soil strength increased with increasing fiber length and content. The cohesive soil, on the other hand, showed strength up to fiber length of 10 mm. Stress - strain curves from triaxial tests for both reinforced and unreinforced cohesive soil were similar with a defined peak strength and small post peak reduction. Granular soil samples presented considerable strength increases with the increases of length and fiber content. Small panels fabricated with the reinforced cohesive soil (300 x 300 x 100) mm, showed that the presence of fiber can reduce crack magnitude when compared with the unreinforced soil.

Identification of viable vat dye candidates of a trichromatic series (compatible red, yellow and blue colorants) plus an orange based on the developed single-stage acid leuco vat dyeing process for unmodified polypropylene (PP) flat woven fabrics has been achieved with adequate fastness properties to washing, crocking and dry-cleaning: C. I. Vats Orange 1, Yellow 2 and Red 1 have been certified, whereas Vat Blue 6 is a marginal candidate. Vat Blue 1 has been demonstrated to be a viable colorant for dyeing of PP fiber as a single colorant. Molecular dynamics simulation and solubility parameter (SP) approaches have been utilized to screen the potential vat dye candidates for generic PP coloration. Experimental K/S results have exhibited good correlation with the predicted mixing energy of acid leuco vat dyes-PP fiber and the calculated dyes' SP's. The low SP/mixing energy acid leuco vat dyes (e.g., C. I. Vat Red 1) have shown better color-yield/fastness properties than the high SP/mixing energy vat dyes (e.g., C. I. Vat Brown 1), exhibiting that increasing difference of SP between the vat dye and the PP fiber, coupled with a higher mixing energy of dye-PP blend, resulted in decreased interactions between the two. For example, C.I. Vat Brown 1 with its high SP and calculated mixing energy with PP gave least color yield than the certified vat dyes, all with lower SP's and mixing energies. Cross-section micrographs of the dyed fibers revealed the absence of "ring-dyeing". Experimentally determined kinetic parameters such as affinity of dyeing and heat of dyeing quantified the presence of interaction between acid leuco vat dyes and PP fiber. Tensile test and X-ray crystallinity results have confirmed that dyeing process did not alter the tensile strength and modulus of the dyed PP textiles significantly. PP Fabrics dyed with simulated continuous dyeing processes (pad-steam and pad-dry heat) demonstrated good color yields and levelness with adequate fastness to crocking, washing and dry cleaning.

O objetivo do presente trabalho foi estudar o comportamento mecânico de uma areia não saturada, com e sem reforço de fibras, através de ensaios de placa realizados em densidade relativa de 50% e 90%. Para o reforço da areia foi acrescentada a quantidade de 0,5% de fibra de polipropileno em relação ao peso seco de solo. A análise dos resultados dos ensaios de placa indica que a inclusão de fibras influencia significativamente no comportamento carga-recalque do material. O melhor resultado foi obtido para o ensaio realizado na maior densidade relativa (DR = 90%) com adição de fibras, apresentando uma mudança significativa no comportamento carga-recalque. Ensaios triaxiais também foram realizados a fim de obter os parâmetros de resistência e deformação dos materiais estudados. Além disso, ensaios de sucção foram realizados para avaliar a sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo não saturado, com e sem reforço. / The aim of present research was to study the mechanical behavior of unreinforced and fiber-reinforced unsaturated sand through plate load tests carried out at relative densities of 50% and 90%. For the reinforced sand, 50 mm long polypropylene fibers were added at a concentration of 0.5% by dry weight. The analysis of the plate test results indicates that the soil load-settlement behavior is significantly influenced by the fiber inclusion. The best performance was obtained for the densest (DR=90%) fiber-sand mixture, where a significant change in the load-settlement behavior was observed. Triaxial tests were also carried out in order to establish the strength and deformation parameters of the materials studied. Furthermore, suction tests were carried out to investigate its potential influence on the strength parameters of the unsaturated fiber-reinforced and unreinforced materials.

O presente trabalho investigou o comportamento mecânico e hidráulico de novos materiais geotécnicos compósitos para a utilização em barreiras verticais do tipo Slurry Walls. Fundamentalmente, o objetivo do programa experimental foi analisar o comportamento tensão-deformação e a influência da poro-pressão, através de ensaios triaxiais e ensaios de compressão não-confinada em misturas solo-cimento-bentonita (SCB) e solo-cimentobentonita- fibra (SCBF) e também a condutividade hidráulica em misturas solo-bentonita-fibra (SBF) e solo-cimento-bentonita-fibra. As misturas testadas nos ensaios triaxiais, cisalhadas na condição não-drenada (CIU) com tensões efetivas entre 50 e 470 kPa, foram rompidas após um período de 7 dias de cura. Nestes ensaios, foram medidas as condutividades hidráulicas antes e após o cisalhamento dos corpos de prova, a fim de comparar e identificar o comportamento da condutividade quando as barreiras verticais são solicitadas.A condutividade hidráulica avaliada em permeâmetro de parede rígida para as misturas SBF e SCBF foram comparadas com resultados de misturas SB e SCB obtidos na literatura. Os resultados dos ensaios realizados indicaram uma mudança dos padrões de comportamento dos materiais compósitos em relação à situação sem reforço, como o aumento dos parâmetros de resistência ao cisalhamento e a diminuição das deformações volumétricas sob carregamento isotrópico. Os ensaios de condutividade hidráulica confirmaram que o comportamento do material não foi afetado pela adição das fibras. Já os ensaios de condutividade hidráulica realizados no equipamento triaxial demonstraram que a condutividade hidráulica aumenta após o cisalhamento do corpo de prova. / The present work aimed the investigation of the mechanical and hydraulic behavior of new geotechnical composite materials for use in vertical barrier walls (Slurry Walls). Fundamentally, the objective of the experimental program was to analyze the stress-strain behavior as well as the pore-pressure influence by means of triaxial tests, unconfined compression tests on mixtures of soil-cement-bentonite (SCB) and soil-cement-bentonitefiber (SCBF), and hydraulic conductivity tests on soil-bentonite-fiber (SBF) and soil-cementbentonite- fiber mixtures. The speciments formatted by the different mixtures were tested in the triaxial equipment, and sheared under consolidated isotropically undrained conditions (CIU) and efective stresses ranging from 50 to 470 kPa, after 7 days of curing. In these tests, the hydraulic conductivities were measured previously and after shearing the samples, in order to compare and identify the conductivity behavior at the moment in which the vertical barriers are requested. The hydraulic conductivity coefficients of SBF and SCBF mixtures obtained from rigid wall permeameter tests were compared with results existent in the literature for SB and SCB mixtures. The results indicated changes of the behavior standards for composite materials if compared with the unreinforced situation, such as increases of shear strength parameters and decreases of volumetric deformations under isotropic loading. The results of hydraulic conductivity tests confirmed that the behavior of the material is not affected by the addition of fibers. The results of hydraulic conductivity tests conducted in the triaxial equipment showed increases of the hydraulic conductivity coefficient after the shearing of the samples.

Usualmente as propriedades do solo não são adequadas às características e às necessidades de projeto. É apresentada, como alternativa, a técnica de reforço com inclusão de elementos fibrosos à matriz de solo. Nesse sentido, a análise do comportamento mecânico de um solo micro-reforçado com fibras de distintos índices aspecto é objetivada. Para tanto, uma célula de compressão triaxial com medidas internas de deformações é construída, instrumentada e calibrada para realização de ensaios, sob trajetórias de tensões convencionais, em amostras com 100mm de diâmetro e 200mm de altura. O solo, uma areia fina, de granulometria uniforme, é reforçado com fibras de polipropileno com diferentes comprimentos, 12, 24, 36 e 50mm, e diferentes diâmetros, 0,023 e 0,100mm, equivalentes a índices aspecto entre 120 e 2174. As amostras apresentam densidade relativa de 50%, teor de umidade de 10% e adição de 0,5% de fibras em relação à massa de solo seco. Os resultados demonstram a eficácia da utilização do reforço no ganho de resistência das amostras em relação ao material nãoreforçado. Dessa forma, os parâmetros de resistência da matriz reforçada apresentam notável aumento. Os valores de ângulo de atrito interno das misturas não são influenciados pelo índice aspecto das fibras. Em contrapartida, os valores de intercepto coesivo dos compósitos são fortemente influenciados pelo índice aspecto dos reforços. Ainda, é verificado um valor de índice aspecto a partir do qual o compósito passa a apresentar comportamento de enrijecimento mais pronunciado, em torno de 300 neste estudo. É verificado, também, que a rigidez da areia não é alterada pela inclusão dos micro-reforços. Semelhantemente, o comportamento dilatante da areia não é sensivelmente afetado pela adição de fibras. Todavia, a relação de tensões final das misturas é reduzida com o aumento da tensão confinante e ampliada com o aumento do índice aspecto das fibras. Por fim, a medida dos comprimentos das fibras antes e após a realização dos ensaios mostra que os reforços não rompem por tração. A interação entre a matriz de solo e as fibras se dá através do deslizamento e do alongamento das fibras. / The study of the mechanical behavior of a soil micro-reinforced with distinct aspect ratios fibers is the purpose of this investigation. Thus, a triaxial compression cell is built and drained standard triaxial tests on 100mm diameter and 200mm high specimens are carried out. The soil, a uniform fine sand, is reinforced with polypropylene fibers with different lengths, 12, 24, 36 and 50mm, different diameters, 0.023 and 0.100mm, and consequently with a large spectrum of aspect ratios, up to about 2200. The samples are compacted to a relative density of 50% and a water content of 10% with a fiber content of 0.5% by weight of soil. The results show the effectiveness of fiber reinforcement in the strength increase of the samples compared to non-reinforced material. Thus, the parameters of resistance of the reinforced matrix exhibit remarkable increase. The values of mixtures friction angles are not influenced by aspect ratio of the fibers. However, the values of cohesive intercepts of the composites are strongly influenced by fibers aspect ratio. In addition, it is found an aspect ratio value from which the composites present more pronounced strain hardening features, around 300 in this study. It is also found that sand stiffness is not influenced by the micro-reinforcements inclusion. Similarly, the dilation behavior of sand is not significantly affected by fibers addition. However, the mixtures final stress ratio is reduced with the confining pressure increase and with the decrease of fibers aspect ratio value. Finally, the measurement of fiber lengths before and after the tests shows that the reinforcements do not break in tension. The failure is a composite of slippage and yielding of fibers.

O presente trabalho investigou o comportamento mecânico e hidráulico de novos materiais geotécnicos compósitos para a utilização em barreiras verticais do tipo Slurry Walls. Fundamentalmente, o objetivo do programa experimental foi analisar o comportamento tensão-deformação e a influência da poro-pressão, através de ensaios triaxiais e ensaios de compressão não-confinada em misturas solo-cimento-bentonita (SCB) e solo-cimentobentonita- fibra (SCBF) e também a condutividade hidráulica em misturas solo-bentonita-fibra (SBF) e solo-cimento-bentonita-fibra. As misturas testadas nos ensaios triaxiais, cisalhadas na condição não-drenada (CIU) com tensões efetivas entre 50 e 470 kPa, foram rompidas após um período de 7 dias de cura. Nestes ensaios, foram medidas as condutividades hidráulicas antes e após o cisalhamento dos corpos de prova, a fim de comparar e identificar o comportamento da condutividade quando as barreiras verticais são solicitadas.A condutividade hidráulica avaliada em permeâmetro de parede rígida para as misturas SBF e SCBF foram comparadas com resultados de misturas SB e SCB obtidos na literatura. Os resultados dos ensaios realizados indicaram uma mudança dos padrões de comportamento dos materiais compósitos em relação à situação sem reforço, como o aumento dos parâmetros de resistência ao cisalhamento e a diminuição das deformações volumétricas sob carregamento isotrópico. Os ensaios de condutividade hidráulica confirmaram que o comportamento do material não foi afetado pela adição das fibras. Já os ensaios de condutividade hidráulica realizados no equipamento triaxial demonstraram que a condutividade hidráulica aumenta após o cisalhamento do corpo de prova. / The present work aimed the investigation of the mechanical and hydraulic behavior of new geotechnical composite materials for use in vertical barrier walls (Slurry Walls). Fundamentally, the objective of the experimental program was to analyze the stress-strain behavior as well as the pore-pressure influence by means of triaxial tests, unconfined compression tests on mixtures of soil-cement-bentonite (SCB) and soil-cement-bentonitefiber (SCBF), and hydraulic conductivity tests on soil-bentonite-fiber (SBF) and soil-cementbentonite- fiber mixtures. The speciments formatted by the different mixtures were tested in the triaxial equipment, and sheared under consolidated isotropically undrained conditions (CIU) and efective stresses ranging from 50 to 470 kPa, after 7 days of curing. In these tests, the hydraulic conductivities were measured previously and after shearing the samples, in order to compare and identify the conductivity behavior at the moment in which the vertical barriers are requested. The hydraulic conductivity coefficients of SBF and SCBF mixtures obtained from rigid wall permeameter tests were compared with results existent in the literature for SB and SCB mixtures. The results indicated changes of the behavior standards for composite materials if compared with the unreinforced situation, such as increases of shear strength parameters and decreases of volumetric deformations under isotropic loading. The results of hydraulic conductivity tests confirmed that the behavior of the material is not affected by the addition of fibers. The results of hydraulic conductivity tests conducted in the triaxial equipment showed increases of the hydraulic conductivity coefficient after the shearing of the samples.

Usualmente as propriedades do solo não são adequadas às características e às necessidades de projeto. É apresentada, como alternativa, a técnica de reforço com inclusão de elementos fibrosos à matriz de solo. Nesse sentido, a análise do comportamento mecânico de um solo micro-reforçado com fibras de distintos índices aspecto é objetivada. Para tanto, uma célula de compressão triaxial com medidas internas de deformações é construída, instrumentada e calibrada para realização de ensaios, sob trajetórias de tensões convencionais, em amostras com 100mm de diâmetro e 200mm de altura. O solo, uma areia fina, de granulometria uniforme, é reforçado com fibras de polipropileno com diferentes comprimentos, 12, 24, 36 e 50mm, e diferentes diâmetros, 0,023 e 0,100mm, equivalentes a índices aspecto entre 120 e 2174. As amostras apresentam densidade relativa de 50%, teor de umidade de 10% e adição de 0,5% de fibras em relação à massa de solo seco. Os resultados demonstram a eficácia da utilização do reforço no ganho de resistência das amostras em relação ao material nãoreforçado. Dessa forma, os parâmetros de resistência da matriz reforçada apresentam notável aumento. Os valores de ângulo de atrito interno das misturas não são influenciados pelo índice aspecto das fibras. Em contrapartida, os valores de intercepto coesivo dos compósitos são fortemente influenciados pelo índice aspecto dos reforços. Ainda, é verificado um valor de índice aspecto a partir do qual o compósito passa a apresentar comportamento de enrijecimento mais pronunciado, em torno de 300 neste estudo. É verificado, também, que a rigidez da areia não é alterada pela inclusão dos micro-reforços. Semelhantemente, o comportamento dilatante da areia não é sensivelmente afetado pela adição de fibras. Todavia, a relação de tensões final das misturas é reduzida com o aumento da tensão confinante e ampliada com o aumento do índice aspecto das fibras. Por fim, a medida dos comprimentos das fibras antes e após a realização dos ensaios mostra que os reforços não rompem por tração. A interação entre a matriz de solo e as fibras se dá através do deslizamento e do alongamento das fibras. / The study of the mechanical behavior of a soil micro-reinforced with distinct aspect ratios fibers is the purpose of this investigation. Thus, a triaxial compression cell is built and drained standard triaxial tests on 100mm diameter and 200mm high specimens are carried out. The soil, a uniform fine sand, is reinforced with polypropylene fibers with different lengths, 12, 24, 36 and 50mm, different diameters, 0.023 and 0.100mm, and consequently with a large spectrum of aspect ratios, up to about 2200. The samples are compacted to a relative density of 50% and a water content of 10% with a fiber content of 0.5% by weight of soil. The results show the effectiveness of fiber reinforcement in the strength increase of the samples compared to non-reinforced material. Thus, the parameters of resistance of the reinforced matrix exhibit remarkable increase. The values of mixtures friction angles are not influenced by aspect ratio of the fibers. However, the values of cohesive intercepts of the composites are strongly influenced by fibers aspect ratio. In addition, it is found an aspect ratio value from which the composites present more pronounced strain hardening features, around 300 in this study. It is also found that sand stiffness is not influenced by the micro-reinforcements inclusion. Similarly, the dilation behavior of sand is not significantly affected by fibers addition. However, the mixtures final stress ratio is reduced with the confining pressure increase and with the decrease of fibers aspect ratio value. Finally, the measurement of fiber lengths before and after the tests shows that the reinforcements do not break in tension. The failure is a composite of slippage and yielding of fibers.

O objetivo do presente trabalho foi estudar o comportamento mecânico de uma areia não saturada, com e sem reforço de fibras, através de ensaios de placa realizados em densidade relativa de 50% e 90%. Para o reforço da areia foi acrescentada a quantidade de 0,5% de fibra de polipropileno em relação ao peso seco de solo. A análise dos resultados dos ensaios de placa indica que a inclusão de fibras influencia significativamente no comportamento carga-recalque do material. O melhor resultado foi obtido para o ensaio realizado na maior densidade relativa (DR = 90%) com adição de fibras, apresentando uma mudança significativa no comportamento carga-recalque. Ensaios triaxiais também foram realizados a fim de obter os parâmetros de resistência e deformação dos materiais estudados. Além disso, ensaios de sucção foram realizados para avaliar a sua influência sobre os parâmetros de resistência do solo não saturado, com e sem reforço. / The aim of present research was to study the mechanical behavior of unreinforced and fiber-reinforced unsaturated sand through plate load tests carried out at relative densities of 50% and 90%. For the reinforced sand, 50 mm long polypropylene fibers were added at a concentration of 0.5% by dry weight. The analysis of the plate test results indicates that the soil load-settlement behavior is significantly influenced by the fiber inclusion. The best performance was obtained for the densest (DR=90%) fiber-sand mixture, where a significant change in the load-settlement behavior was observed. Triaxial tests were also carried out in order to establish the strength and deformation parameters of the materials studied. Furthermore, suction tests were carried out to investigate its potential influence on the strength parameters of the unsaturated fiber-reinforced and unreinforced materials.

Este trabalho aborda o comportamento de dois solos (uma argila e uma areia), reforçados com fibras plásticas de polipropileno. Os solos foram compactados no teor de umidade ótimo e peso específico seco máximo e foram misturados com fibras de diferentes teores e comprimentos. Os resultados dos ensaios de compressão simples foram usados para selecionar os teores e comprimentos ótimos de fibras. Os resultados mostraram que a resistência do solo arenoso cresceu com o aumento do teor e comprimento das fibras e o solo argiloso apresentou acréscimo de resistência, com o aumento do teor até o comprimento de fibra de 10 mm. As curvas tensão-deformação dos ensaios triaxiais, para solos com e sem reforço foram similares, com uma resistência de pico definida e pequena redução de queda de tensão pós pico. As amostras de solo arenoso apresentaram considerável aumento de resistência, com o aumento do teor e comprimento das fibras. Pequenos painéis, fabricados com o solo argiloso (300 x 300 x 100) mm, mostraram que a presença da fibra pode reduzir a magnitude das trincas quando comparados com o solo sem reforço. / This work presents the behavior of two soils (clay and sandy) reinforced with polypropylene plastic fibers. The soils were compacted at the optimum moisture content and maximum dry unit weight and were mixed with fibers of different lengths and contents. Unconfined compressive tests results were used to select the optimum fiber length and content. The results showed that the granular soil strength increased with increasing fiber length and content. The cohesive soil, on the other hand, showed strength up to fiber length of 10 mm. Stress - strain curves from triaxial tests for both reinforced and unreinforced cohesive soil were similar with a defined peak strength and small post peak reduction. Granular soil samples presented considerable strength increases with the increases of length and fiber content. Small panels fabricated with the reinforced cohesive soil (300 x 300 x 100) mm, showed that the presence of fiber can reduce crack magnitude when compared with the unreinforced soil.