Effect of gelatin powder, almond shell, and recycled aggregates on chemical and mechanical properties of conventional concrete

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The objective of the research is to study the effect of different additives on the conventional concrete. In this term, three types of materials have been added to the concrete: gelatin powder as the binder, recycled aggregates, and almond shell as the fine and coarse aggregates. Several experiments have been made tо determine physical and mechanical properties, such as test for compressive and tensile strengths, for impact loading strength, durability test (water absorption) and deep penetration tests. Moreover, the microstructure results for the new type of concrete have been studied by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDXS). The results show that when 70 kg of gelatin powder is added to 1 m3 of concrete, the concrete’s compressive strength and tensile strength are improved more than 22%; during impact loading the first and ultimate cracks are 11 and 129 by numbers, and the first and ultimate cracks’ strength is more than 223 and 2346 J respectively. The durability of sample from concrete with additional gelatin has been improved. SEM results illustrate that the weakness of almond shell concrete is related to cracks and voids between the cement matrix and almond shell. The voids of gelatin concrete are higher than that of conventional concrete. The conventional concrete has smooth crystals, and gelatin concrete has sharp and cubic crystals. EDXS results show that chemical content of these two types of concrete is different: conventional concrete contains silicon, while EDXS results show that chemical content of these two types of concrete is different: conventional concrete contains silicon, while gelatin concrete contains calcium and also C-S-H gel is generated in it.

About the authors

Mohammad Hematibahar

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: eng.m.hematibahar1994@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0090-5745

PhD student, Department of Reinforced Concrete and Stone Structures

Moscow, Russian Federation

Alireza Esparham

University of Tehran

Email: alireza.esp110@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0001-7278-3479

PhD student

Islamic Republic of Iran

Nikolai I. Vatin

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: vatin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1196-8004

D.Sc. (Eng.), Professor, Higher School of Industrial Civil and Road Construction

St. Petersburg, Russian Federation

Makhmud I. Kharun

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Email: miharun@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2773-4114

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Reinforced Concrete and Stone Structures

Moscow, Russian Federation

Tesfaldet H. Gebre

RUDN University

Email: tesfaldethg@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7168-5786

PhD, assistant, Department of Civil Engineering, Academy of Engineering

Moscow, Russian Federation

References

  1. Forouzandeh J.M., Jahangiri A., Jamekhorshid A. Experimental investigation on the durability of metakaolin-based geopolymer concrete in aggressive environments. Research Square. 2022. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2247685/v1
  2. Abdollahnejad Z., Kheradmand M., Pacheco-Torgal F. Short-term compressive strength of fly ash and waste glass alkali-activated cement based binder (AACB) mortars with two biopolymers. Journal of Materials in Civil Engineering. 2017;29(7). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001920
  3. Aliabdo A.A.M., Abd A.E., Emam A.M. Factors affecting the mechanical properties of alkali activated ground granulated blast furnace slag concrete. Construction and Building Materials. 2019;197:339-355. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.086
  4. Kuri J.C., Hosan A., Shaikh F.U.A., Biswas W.K. The effect of recycled waste glass as a coarse aggregate on the properties of Portland cement concrete and geopolymer concrete. Buildings. 2023;13(3):586. https://doi.org/10.3390/buildings13030586
  5. He Z., Hu H., Casanova I., Liang C., Du S. Effect of shrinkage reducing admixture on creep of recycled aggregate concrete. Construction and Building Materials. 2020;254:119312. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119312
  6. Guedes M., Evangelista L., de Brito J., Ferro A.C. Microstructural characterization of concrete prepared with recycled aggregates. Microscopy and Microanalysis. 2013;19(5):1222-1230. https://doi.org/10.1017/S1431927613001463
  7. Imtiaz I., Kashif-ur-Rehman S., Alalou W., Nazir K., Javed M., Aslam F., Musarat M. Life cycle impact as-sessment of recycled aggregate concrete, geopolymer concrete, and recycled aggregate-based geopolymer concrete. Sustainability. 2021;13(24):13515. https://doi.org/10.3390/su132413515
  8. Zhang J., Zhao Y., Li X., Li Y., Dong H. Experimental study on seismic performance of recycled aggregate concrete shear wall with high-strength steel bars. Structures. 2021;33:1457-1472. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.05.033
  9. Waqas R.M., Butt F., Danish A., Alqurashi M., Mosaberpanah M.A., Masood B., Hussein E.E. Influence of bentonite on mechanical and durability properties of high-calcium fly ash geopolymer concrete with natural and recycled aggregates. Materials. 2021;14(24):7790. https://doi.org/10.3390/ma14247790
  10. Gunasekaran K., Annadurai R., Kumarb P.S. Study on reinforced lightweight coconut shell concrete beam behavior under shear. Materials and Design. 2013;50:293-301. http://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.03.022
  11. Galishnikova V.V., Elroba S.M., Dayoub N., Sakna A. Use of natural compounds as a nutrition for bacteria in self-healing mortar. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022;18(1):54-63. http://doi.org/10.22363/1815-5235-2022-18-1-54-63
  12. Gunasekaran K., Kumar P. S., Lakshmipathy M. Mechanical and bond properties of coconut shell concrete. Construction and Building Materials. 2011;25:92-98. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.06.053
  13. Hilal N., Sahab M.-F., Mohammad Ali T.-K. Fresh and hardened properties of lightweight self-compacting concrete containing walnut shells as coarse aggregate. Journal of King Saud University. Engineering Science. 2020;(33):364-372. https://doi.org/10.1016/j.jksues.2020.01.002
  14. Alaneme G.U., Mbadike E.M. Experimental investigation of Bambara nutshell ash in the production of concrete and mortar. Innovative Infrastructure Solutions. 2021;6:66. https://doi.org/10.1007/s41062-020-00445-1
  15. Kong J., Ni S., Guo C., Chen M., Quan H. Impacts from waste oyster shell on the durability and biological attachment of recycled aggregate porous concrete for artificial reef. Materials. 2022;15:6117. https://doi.org/10.3390/ ma15176117
  16. Raja K.C.P., Thaniarasu I., Elkotb M.A., Ansari K., Saleel C.A. Shrinkage study and strength aspects of concrete with foundry sand and coconut shell as a partial replacement for coarse and fine aggregate. Materials. 2021;14:7420. https://doi.org/10.3390/ma14237420
  17. Soriano L., Font A., Tashima M.M., Monzó J., Borrachero M.-V., Bonifácio T., Payá J. Almond-shell biomass ash (ABA): a greener alternative to the use of commercial alkaline reagents in alkali-activated cement. Construction and Building Materials. 2021;290:123251. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123251
  18. Bigi A., Bracci B., Panzavolta S. Effect of added gelatin on the properties of calcium phosphate cement. Biomaterials. 2004;25:2893-2899. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2003.09.059
  19. Nuaklong P., Wongsa A., Sata V., Boonserm K., Sanjayan J., Chindaprasirt P. Properties of high-calcium and low-calcium y ash combination geopolymer mortar containing recycled aggregate. Heliyon. 2019;5:e02513. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02513
  20. Kumar C.A., Gope P.C., Singh V.K., Verma A., Rajiv Suman A. Thermal analysis of epoxy-based coconut fiber-almond shell particle reinforced bio composites. advances in manufacturing science and technology. 2014;38(2). https://doi.org/10.2478/amst-2014-0009
  21. Erofeev V.T., Kaznacheev S.V., Pankratova E.V., Seleznev V.A., Tyuryahina T.P. Physical and mechanical properties of pre-bound aggregate composites. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2022;18(5):399-406. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2022-18-5-399-406
  22. Frolov K.E. Experimental studies of reinforced concrete structures of hydraulic structures strengthened with composite materials. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2019;15(3):237-242. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2019-15-3-237-242
  23. Kharun M., Ehsani A., Nasimi S., Gebre T.H. Properties and behavior of light hydrophobic concrete. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2021;17(3):299-307. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2021-17-3-299-307
  24. Rehman W., Majeed A., Mehra R., Bhushan S., Rani P., Chand K., Bast F. Gelatin: a comprehensive report covering its indispensable aspects. Natural Polymers: Derivatives, Blends and Composites. Nova Science Publishers; 2016. p. 209-222.
  25. Kharun M., Al Araza H.A.A., Hematibahar M., Al Daini R., Manoshin A.A. Experimental study on the effect of chopped basalt fiber on the mechanical properties of high-performance concrete. AIP Conference Proceedings. 2022;1:2559. https://doi.org/10.1063/5.0099042
  26. Hematibahar M. Crack resistance in basalt fibred high-performance concrete (M.Sc. thesis). Moscow: RUDN University; 2021.
  27. Hasanzadeh A., Vatin N.I., Hematibahar M., Kharun M., Shooshpasha I. Prediction of the mechanical properties of basalt fiber reinforced high-performance concrete using machine learning techniques. Materials. 2022;15(20):7165. https://doi.org/10.3390/ma15207165
  28. Hematibahar M., Vatin N.I., Alaraza H.A.A., Khalilavi A., Kharun M. The prediction of compressive strength and compressive stress-strain of basalt fiber reinforced high-performance concrete using classical programming and logistic map algorithm. Materials. 2022;19(15):6975. https://doi.org/10.3390/ ma15196975

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».