Comparative review of sisal fiber and cellulose nanofiber reinforced concrete

Abstract

Objective: The performance of sisal fibers and cellulose nanofibrils (CNFs) as complementary reinforcements in concrete was analyzed, evaluating their benefits in strength, durability, and sustainability, and incorporating the use of artificial intelligence (AI) for mixture prediction and optimization. Methodology: A comparative study was conducted based on the review and synthesis of previous research, focusing on the effect of sisal at the macroscopic scale and of cellulose nanofibrils (CNFs) on the microstructure of the cementitious matrix. Experimental data on strength, microstructural behavior, and environmental performance were considered, integrating predictive models thru machine learning. Results: Sisal increased compressive and flexural strength by up to 29.69% and 34.4%, respectively, provided its dosage was controlled and treatments were applied to improve adhesion and stability in alkaline environments. NFCs promoted densification of the interfacial transition zone, reducing porosity and chloride diffusion by 27.9%, with positive effects on durability and microcrack sealing. In environmental terms, sisal offered advantages due to its low cost and renewable origin, while NFCs, although entailing a greater manufacturing impact, contributed to optimizing structural efficiency and extending the service life of the concrete. Conclusions: The combination of sisal and NFC showed complementary potential to improve the mechanical performance and durability of concrete, offering solutions aligned with sustainability criteria. The use of AI facilitated the optimization of mixtures, enabling more accurate prediction of their behavior and reducing the need for extensive testing.Objetivo: Se analizó el desempeño de fibras de sisal y nanofibras de celulosa (NFC) como refuerzos complementarios en concreto, evaluando sus beneficios en resistencia, durabilidad y sostenibilidad, e incorporando el uso de inteligencia artificial (IA) para la predicción y optimización de mezclas. Metodología: Se desarrolló un estudio comparativo basado en la revisión y síntesis de investigaciones previas, enfocándose en el efecto del sisal a escala macroscópica y de las NFC en la microestructura de la matriz cementicia. Se consideraron datos experimentales sobre resistencia, comportamiento microestructural y desempeño ambiental, integrando modelos predictivos mediante aprendizaje automático. Resultados: El sisal incrementó la resistencia a compresión y flexión hasta en un 29,69 % y 34,4 %, respectivamente, siempre que se controlara su dosificación y se aplicaran tratamientos para mejorar la adherencia y la estabilidad en medios alcalinos. Las NFC favorecieron la densificación de la zona de transición interfacial, reduciendo la porosidad y la difusión de cloruros en un 27,9 %, con efectos positivos sobre la durabilidad y el sellado de microfisuras. En términos ambientales, el sisal presentó ventajas por su bajo costo y origen renovable, mientras que las NFC, aunque implicaron un mayor impacto de fabricación, contribuyeron a optimizar la eficiencia estructural y prolongar la vida útil del concreto. Conclusiones: La combinación de sisal y NFC mostró un potencial complementario para mejorar el desempeño mecánico y la durabilidad del concreto, ofreciendo soluciones alineadas con criterios de sostenibilidad. El uso de IA facilitó la optimización de las mezclas, permitiendo predecir su comportamiento con mayor precisión y reduciendo la necesidad de ensayos extensivos.