Embed Size (px)
Citation preview
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
KARMA LĠF ĠÇEREN ÇĠMENTO ESASLI KOMPOZĠTLERĠN
MEKANĠK DAVRANIġI - BĠR OPTĠMUM TASARIM
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
ĠnĢ. Müh. Özgür EKĠNCĠOĞLU
OCAK 2003
Anabilim Dalı : ĠnĢaat Mühendisliği
Programı : Yapı Mühendisliği
Tez DanıĢmanı: Doç. Dr. Canan TAġDEMĠR
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
KARMA LĠF ĠÇEREN ÇĠMENTO ESASLI KOMPOZĠTLERĠN
MEKANĠK DAVRANIġI - BĠR OPTĠMUM TASARIM
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
ĠnĢ. Müh. Özgür EKĠNCĠOĞLU
(501991201)
OCAK 2003
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih :23 Aralık 2002
Tezin Savunulduğu Tarih : 16 Ocak 2003
Tez DanıĢmanı : Doç. Dr. Canan TAġDEMĠR
Diğer Jüri Üyeleri: Prof.Dr. Saim AKYÜZ
Prof.Dr. Turan ÖZTURAN (B.Ü.)
ii
ÖNSÖZ
Bu tezi yöneten ve çalıĢmalarım sırasında yardım ve desteklerini esirgemeyen
değerli hocam Doç. Dr. Canan TAġDEMĠR’e,
ÇalıĢmalarımda ilgi ve yardımlarını esirgemeyen Prof. Dr. M. Ali
TAġDEMĠR’e, Yrd. Doç. Dr. Alper ĠLKĠ’ye, ĠnĢaat Yüksek Müh.’si Fikret
Bayramov’a ve baĢta Ar. Gör. Nilüfer ÖZYURT ve Ar. Gör. Özkan ġENGÜL
olmak üzere tüm Yapı Malzemesi Anabilim Dalı araĢtırma görevlilerine,
Deneysel çalıĢmalara yapılan destekler dolayısıyla Ġ.T.Ü. AraĢtırma Fonuna
(30031 nolu proje) ve Beksa Çelik Kord San. ve Tic. A.ġ.’ne,
Tezim sırasında yaptığı yardımları ve sabrı dolayısıyla çok sevgili kardeĢim
ve aynı zamanda meslektaĢım Onur EKĠNCĠOĞLU’na, ve beni devamlı destekleyen
anneme ve babama
teĢekkür ederim.
Ocak 2003 Özgür EKĠNCĠOĞLU
iii
ĠÇĠNDEKĠLER
ÖNSÖZ
KISALTMALAR
TABLO LĠSTESĠ
ġEKĠL LĠSTESĠ
SEMBOL LĠSTESĠ
ÖZET
SUMMARY
1. GĠRĠġ
1.1. Amaç
1.2. ÇalıĢmanın Ana Hatları
2. LĠF TAKVĠYELĠ KOMPOZĠTLERĠN GENEL ÖZELĠKLERĠ
2.1. Lifler Hakkında Genel Bilgi
2.1.1. Lif Çeşitleri
2.1.1.1. Doğal Olarak Elde Edilen Lifler
2.1.1.2. Metalik Lifler
2.1.1.3. Polimerik Lifler
2.1.1.4. Cam Lifler
2.2. Matris ve Lifler Arasındaki EtkileĢim
2.2.1. Homojen Çatlamamış Matris ile Lif Arasındaki Etkileşim
2.2.2. Çatlamış Matris ile Lif Arasındaki Etkileşim
2.3. Lif Takviyeli Çimento Esaslı Kompozitler
2.3.1. Taze Betonun İşlenebilirliğine Lif Etkisi
2.3.2. Lif Özeliklerinin Kompozitin Özeliklerine Etkisi
2.3.2.1. Lif Geometrisinin Etkisi
2.3.2.2. Lif Boyunun Etkisi
2.3.2.3. Lif Narinlik Oranı ve Lif Yüzdesinin Etkileri
2.3.2.4. Lif Özeliklerinin Kompozit Özeliklerine Etkisini
İnceleyen Diğer Çalışmalar
2.4. Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
2.4.1. Çelik Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
ii
vi
vii
viii
xi
xii
xiv
1
5
5
7
7
8
9
9
13
14
15
16
17
19
22
25
25
26
27
28
30
30
iv
2.4.1.1. Basınç Etkisinde Davranış
2.4.1.2. Eğilme Etkisinde Davranış
2.4.1.3. Çekme Etkisinde Davranış
2.4.1.4. Darbe Etkisinde Davranış
2.4.1.5. Yorulma Dayanımı
2.4.1.6. Rötre ve Sünme
2.4.1.7. Çelik Lif Takviyeli Betonun Kullanım Alanları
2.4.2. Polimer Lif Takviyeli Betonların Özelikleri
2.4.2.1. Polimer Lif Takviyeli Betonların Teknik Özelikleri
2.4.2.2. Polimer Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
2.4.3. Çelik Liflerle Polimer Liflerin Farkları
2.5. Karma Lif Takviyeli Betonlar
2.5.1. Karma Lif Takviyeli Betonlarla İlgili Araştırmalar
2.6. Silis Dumanının Beton Özelikleri Üzerindeki Etkisi
2.6.1. Silis Dumanın Özelikleri
2.6.2. Silis Dumanının Çimento Hamuru Özeliklerine Etkisi
2.6.3. Silis Dumanının Taze Beton Özeliklerine Etkisi
2.6.3.1. Su ihtiyacı, İşlenebilme ve Çökme Kaybı
2.6.3.2. Terleme ve Plastik Rötre
2.6.4. Silis Dumanının Sertleşmiş Beton Özeliklerine Etkisi
2.6.4.1. Basınç Dayanımı
2.6.4.2. Çekme ve Eğilme Dayanımları
2.6.4.3. Darbeye Karşı Dayanıklılık
3.DENEYSEL ÇALIġMALAR
3.1. Kullanılan Malzemelerin Tanımlanması
3.1.1. Çimento
3.1.2. Silis Dumanı
3.1.3. Agregalar
3.1.4. Çelik Lifler
3.1.4.1. OL 6/16
3.1.4.2. Dramix Çelik Lifler
3.1.5. Polipropilen Lif
3.1.6. Süperakışkanlaştırıcı
3.2. Agrega Deneyleri
3.2.1. Gevşek Birim Ağırlık ve Özgül Ağırlık Deneyleri
3.2.2. Granülometri
3.3. Beton Üretimi
3.3.1. Üretimde İzlenen Sıra
3.3.2. Numune Kodlarının Belirlenmesi
32
34
37
38
40
41
42
43
45
46
48
48
49
53
53
54
56
56
56
57
57
57
58
59
59
59
60
61
61
61
62
63
64
64
64
65
67
67
67
v
3.3.3. Numune Boyutları ve Şekilleri
3.4. Taze Beton Deneyleri
3.5. SertleĢmiĢ Beton Deneyleri
3.5.1.Silindir Basınç Deneyi
3.5.2.Silindir Yarmada Çekme Deneyi
3.5.3.RILEM Kırılma Enerjisi Deneyi
3.5.3.1.Deney Düzeneğinin Hazırlanması
3.5.3.2.Kırılma Enerjilerinin Hesaplanması
3.5.3.3.Net Eğilme Dayanımlarının Hesaplanması
3.5.4. Karakteristik Boyların Hesaplanması
4. DENEY SONUÇLARININ ĠRDELEME VE
DEĞERLENDĠRĠLMESĠ
4.1. Silindir Basınç Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların
Değerlendirilmesi
4.1.1. Basınç Dayanımlarının Değerlendirilmesi
4.1.2. Elastisite Modüllerinin Değerlendirilmesi
4.2. Silindir Yarmada Çekme Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların
Değerlendirilmesi
4.3. Rilem Kırılma Enerjisi Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların
Değerlendirilmesi
4.3.1. Kırılma Enerjilerinin Değerlendirilmesi
4.3.2. Net Eğilme Dayanımlarının Değerlendirilmesi
4.4. Elde Edilen Karakteristik Boyların Değerlendirilmesi
5. GENEL SONUÇLAR
KAYNAKLAR
EKLER
ÖZGEÇMĠġ
68
69
70
70
71
71
71
73
75
75
77
77
77
80
81
83
83
89
91
94
96
102
118
vi
KISALTMALAR
KB : Konvansiyonel Beton
YMB : Yüksek Mukavemetli Beton
ÇYMB : Çok Yüksek Mukavemetli Beton
RPB : Reaktif Pudra Betonu
YPHB : Yüksek Performanslı Hafif Beton
YPB : Yüksek Performanslı Beton
DSP : Densified Small Particles-Yoğunlaştırılmış küçük parçacıklar
MDF : Macro Defect Free-Büyük boşluklardan arındırılmış
UYDÇK : Ultra Yüksek Dayanımlı Çimento Esaslı Kompozitler
ÇLTB : Çelik Lif Takviyeli Beton
ÇLTK : Çelik Lif Takviyeli Kompozit
LTK : Lif Takviyeli Kompozit
SFRC : Steel Fibre Reinforced Concrete- Çelik lif takviyeli beton
GFRC : Glass Fibre Reinforced Concrete- Cam lif takviyeli beton
ÇLTYDB : Çelik Lif Takviyeli Yüksek Dayanımlı Beton
YDLB : Yüksek Dayanımlı Lifli Beton
PP : Polipropilen
PÇ : Portland Çimentosu
TS : Türk Standartları
LVDT : Lineer Voltage Direct Transducer
RILEM : Reunion Internationale des laboratories d’Essais et de Recherches
z sur les Materiaux et les Constructions
NDB : Normal Dayanımlı Beton
YDB : Yüksek Dayanımlı Beton
MPa : Mega Paskal
PVA : Poli Vinil Alkol
vii
TABLO LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 1.1. : Çelik liflerin özelikleri................................................................... 6
Tablo 2.1. : Değişik cins liflere ait fiziksel özelikler......................................... 8
Tablo 2.2. : Bazı metalik liflerin tipik özelikleri............................................... 10
Tablo 2.3. : Polimer liflerin fiziksel özelikleri................................................... 14
Tablo 2.4. : Bazı cam liflerin tipik özelikleri..................................................... 15
Tablo 2.5. : Bazı lif takviyeli çimento esaslı malzemelerin tokluk z
zdeğerlerinin lifsiz malzemelerle karşılaştırılması...........................
21
Tablo 2.6. : Bazı lif takviyeli çimento esaslı malzemelerin eğilme dayanımı
zdeğerlerinin lifsiz malzemelerle karşılaştırılması...........................
21
Tablo 2.7. : Lif takviyeli kompozitlere katılan lifler ve uygulama alanları....... 22
Tablo 2.8. : Lif boyunun, açısının ve kullanılan su/çimento oranının
zkompozit zözeliklerine etkisi.........................................................
29
Tablo 2.9. : Lif takviyeli betonların bazı özeliklerinde matris malzemesinin
zözeliklerine oranla görülen artışın yaklaşık değerleri.....................
32
Tablo 2.10. : Çeşitli bağlayıcıların özgül yüzeyleri ve bunları tayin metodları... 54
Tablo 3.1. : Kullanılan çimentonun fiziksel ve mekanik özelikleri................... 59
Tablo 3.2. : Kullanılan çimentonun kimyasal özelikleri.................................... 60
Tablo 3.3. : Kullanılan silis dumanının kimyasal ve fiziksel özelikleri............. 61
Tablo 3.4. : OL 6/16’nın teknik özelikleri......................................................... 61
Tablo 3.5. : Dramix RC 65/60’ın teknik özelikleri............................................ 62
Tablo 3.6. : Dramix ZP305’in teknik özelikleri................................................. 63
Tablo 3.7. : Duomix M 20’nin teknik özelikleri................................................ 63
Tablo 3.8. : Agregaların gevşek birim ağırlık ve özgül ağırlıkları..................... 65
Tablo 3.9. : Agrega Granülometrisi................................................................... 66
Tablo 3.10. : Üretilen betonların kodları ve karışımlardaki lif yüzdeleri............ 68
Tablo 3.11. : Beton Bileşimleri ve Taze Beton Özelikleri................................... 69
Tablo 3.12. : Sertleşmiş beton özelikleri.............................................................. 76
Tablo 4.1. : Maksimum basınç dayanımı elde etmek için gereken lif
zyüzdeleri..........................................................................................
..
79
Tablo 4.2. : Maksimum elastisite modülü elde etmek için gereken lif
zyüzdeleri..........................................................................................
..
81 Tablo 4.3. : Maksimum yarmada çekme dayanımı elde etmek için gereken lif
zyüzdeleri..........................................................................................
82
Tablo 4.4. : Normal beton, yüksek dayanımlı beton ve UYDÇK’nın mekanik
zözeliklerinin karşılaştırılması .........................................................
84
Tablo 4.5. : Maksimum kırılma enerjisi elde etmek için gereken lif yüzdeleri 89
Tablo 4.6. : Maksimum net eğilme dayanımı elde etmek için gereken lif
zyüzdeleri..........................................................................................
91
Tablo 4.7. : Maksimum lch elde etmek için gereken lif yüzdeleri..................... 93
Tablo 4.8. : Toplam % 3 oranında 3 farklı tip çelik lif içeren betonlarda
viii
zoptimum lif kullanım oranı ve bu betonun mekanik özelikleri.. 93
Tablo C. 1. : Prizma numunelerden elde edilen kırılma enerjileri....................... 110
Tablo D. 1. : Prizma numunelerden elde edilen net eğilme dayanımları............. 111
ix
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 2.1
Şekil 2.2
Şekil 2.3
Şekil 2.4
Şekil 2.5
Şekil 2.6
Şekil 2.7
Şekil 2.8
Şekil 2.9
Şekil 2.10
Şekil 2.11
Şekil 2.12
Şekil 2.13
Şekil 2.14
Şekil 2.15
Şekil 2.16
Şekil 3.1
Şekil 3.2
Şekil 3.3
Şekil 3.4
Şekil 3.5
Şekil 3.6
Şekil 3.7
Şekil 3.8
Şekil 4.1
Şekil 4.2
Şekil 4.3
Şekil 4.4
Şekil 4.5
Şekil 4.6
Şekil 4.7
: Çeşitli çelik lif tipleri.................................................................
: Çatlamamış matriste lif-matris ilişkisi a) yüklenmemiş
zzb)çekme etkisinde c) basınç etkisinde.......................................
: Çatlamış matriste lif-matris ilişkisi............................................
: Lif/matris mekanizmasının enerji yutması. ...............................
: Süperakışkanlaştırıcı kullanılmış çelik lif takviyeli
karışımlarda çelik lif ve kum miktarının çökmeye etkisi..........
: Çelik liflerin narinliğinin (l/d) ve hacimce yüzdesinin (Vf) taze
zzbetonun işlenebilirliğine etkisinin çökme (A) ve VeBe (B)
zzdeney sonuçlarına göre incelenmesi..........................................
: Çelik lif tipleri ve kesitleri.........................................................
: Çatlak köprülenmesine farklı lif boyutlarının etkisi..................
: 50 mm. boyunda kancalı çelik lif içeren normal dayanımlı
betonun gerilme-şekildeğiştirme davranışı................................
: 30 mm. boyunda kancalı çelik lif içeren yüksek dayanımlı
zzbetonun gerilme-şekildeğiştirme davranışı................................
: Lif takviyeli kompozitler için tipik yük-sehim eğrileri..............
: Manş Tünelinde 1996 yılındaki yangın sırasında beton
zzyüzeyinde görülen dökülmeler..................................................
: Polimer lif takviyeli kompozitler için tipik yük-sehim eğrisi....
: Silis dumanı katkısının ara yüzeye etkisi. .................................
: Silis dumanının betonda terlemeye etkisi...................................
: Silis dumanının beton dayanımına etkisi...................................
: Dramix RC 65/60 ve Dramix ZP 305 tipi kancalı çelik lifler....
: Karışımın granülometri eğrisi....................................................
: Numune şekilleri........................................................................
: Silindir basınç dayanımı-şekildeğiştirme ilişkisi.......................
: 3 noktalı eğilme deneyi düzeneği...............................................
: Eğilme deneyi veri toplama sistemi...........................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen yük-sehim eğrileri.
: Örnek bir yük-sehim eğrisi.........................................................
: Silindir basınç dayanımları.........................................................
: Silindir basınç dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı
zolarak değişimi............................................................................
: Beton karışımlarının belirtildiği üçgen......................................
: Elastisite modülleri.....................................................................
: Elastisite modüllerinin lif tipine ve miktarına bağlı olarak
zdeğişimi.......................................................................................
: Yarmada çekme dayanımları.....................................................
: Yarmada çekme dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı
zzolarak değişimi...........................................................................
12
17
18
19
23
24
26
27
33
33
35
45
47
55
56
57
62
66
68
70
72
72
73
74
78
79
79
80
81
82
83
x
Şekil 4.8
Şekil 4.9
Şekil 4.10
Şekil 4.11
Şekil 4.12
Şekil 4.13
Şekil 4.14
Şekil 4.15
Şekil 4.16
Şekil 4.17
Şekil A. 1
Şekil A. 2
Şekil A. 3
Şekil A. 4
Şekil A. 5
Şekil A. 6
Şekil A. 7
Şekil A. 8
Şekil A. 9
Şekil A. 10
Şekil A. 11
Şekil B. 1
Şekil B. 2
Şekil B. 3
Şekil B. 4
Şekil B. 5
Şekil B. 6
: Kırılma enerjisi ortalama değerleri ...........................................
: Çelik lif içermeyen ve tek tip çelik lif içeren numunelerin
zzyük-sehim diyagramları.............................................................
: OL 6/16 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle
zzkullanımı....................................................................................
: ZP 305 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle
zzkullanımı....................................................................................
: RC 65/60 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle
zzkullanımı....................................................................................
: Kırılma enerjisinin lif tipine ve miktarına bağlı olarak
zzdeğişimi......................................................................................
: Net eğilme dayanımları ortalama değerleri..............................
: Net eğilme dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı olarak
zdeğişimi......................................................................................
: Karakteristik boy değerleri.........................................................
: Karakteristik boyların lif tipine ve miktarına bağlı olarak
zdeğişimi.......................................................................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen P05 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen OZR numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen R3 numunelerine ait
zzgerilme-şekildeğiştirme grafikleri.............................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z3 numunelerine ait
zzgerilme-şekildeğiştirme grafikleri.............................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O3 numunelerine ait
zzgerilme-şekildeğiştirme grafikleri.............................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O1Z2 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O2Z1 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O1R2 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O2R1 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z1R2 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z2R1 numunelerine
zzait gerilme-şekildeğiştirme grafikleri........................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen P05 numunelerine
zzait yük-sehim grafikleri.............................................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen OZR numunelerine
zzait yük-sehim grafikleri.............................................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen R3 numunelerine
zzait yük-sehim grafikleri.............................................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z3 numunelerine
zzait yük-sehim grafikleri.............................................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O3 numunelerine
zzait yük-sehim grafikleri.............................................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O1Z2
85
86
86
87
88
89
90
91
92
92
102
102
103
103
103
104
104
104
105
105
105
106
106
107
107
107
xi
Şekil B. 7
Şekil B. 8
Şekil B. 9
Şekil B. 10
Şekil B. 11
Şekil E.1
Şekil E.2
Şekil E.3
Şekil E.4
Şekil E.5
Şekil E.6
Şekil F. 1
Şekil F. 2
Şekil F. 3
Şekil F. 4
Şekil F. 5
Şekil F. 6
Şekil F. 7
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O2Z1
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O1R2
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O2R1
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z1R2
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z2R1
zznumunelerine ait yük-sehim grafikleri......................................
: % 1 OL 6/16 içeren numunelerin kırılma enerjisi......................
: % 1 ZP 305 içeren numunelerin kırılma enerjisi........................
: % 1 RC 65/60 içeren numunelerin kırılma enerjisi....................
: % 2 OL 6/16 içeren numunelerin kırılma enerjisi......................
: % 2 ZP 305 içeren numunelerin kırılma enerjisi........................
: % 2 RC 65/60 içeren numunelerin kırılma enerjisi....................
: Taze betonda çökme deneyi.......................................................
: Üretilen beton numunelerin kür havuzunda saklanması............
: Silindir basınç deneylerini yapmada kullanılan 500 tonluk
zzAmsler marka yükleme makinası..............................................
: Silindir basınç deneyi düzeneği..................................................
: Silindir yarmada çekme deneylerini yapmada kullanılan 1000
zzkN’luk Amsler marka yükleme makinası..................................
: Silindir yarmada çekme deneyi düzeneği...................................
: 3 noktadan yüklemeli eğilme deneyi düzeneği..........................
108
108
108
109
109
109
112
112
112
113
113
113
114
114
115
115
116
116
117
xii
SEMBOL LİSTESİ
Vf : Çelik lif hacmi.
lf : Lif uzunluğu
df : Lif çapı
C-S-H : Hidrate kalsiyum silikat jeli
Φ : Silindir çapı (mm)
fc : Silindir basınç dayanımı(N/mm 2)
ft : Yarmada çekme dayanımı (N/mm 2)
Pmax : Maksimum yük (N)
D : Silindirin çapı (mm)
L : Silindirin yüksekliği (mm)
Gf : Kırılma enerjisi (N/m)
W0 : Yük-sehim eğrisi altında kalan alan (Nm)
m : Kirişin mesnetler arasında kalan ağırlığı (kg)
g : Yerçekimi ivmesi (9,81 m/sn2)
0 : Kirişin göçme sırasındaki deformasyonu (m)
Alig : Etkin kesit alanı (m2)
ffnet : Net eğilme dayanımı (N/mm 2)
l : Mesnetler arası uzaklık (mm)
B : Numune kesitinin genişliği (mm)
D : Numune kesitinin yüksekliği (mm)
a0 : Çatlak derinliği (mm)
lch : Karakteristik boy (mm)
xiii
KARMA LİF İÇEREN ÇİMENTO ESASLI KOMPOZİTLERİN
MEKANİK DAVRANIŞI – BİR OPTİMUM TASARIM
ÖZET
Beton, dünyada en yaygın kullanılan bir taşıyıcı malzemedir. Son yıllarda
beton teknolojisinde inanılması güç gelişmeler kaydedildi. Sadece 30 yıl önce,
inşaatta kullanılan betonun basınç dayanımları en fazla 40 MPa idi. Günümüzde,
yapılarda kullanılan betonların basınç dayanımı geçmiş yıllara göre yaklaşık üç kat
artmıştır. Özel koşullar altında daha yüksek dayanımlara da ulaşılabilmektedir.
Yüksek dayanım; betondaki ve arayüzey bölgesindeki homojenliğin
artırılması, boşluk oranının ve mikro çatlakların azaltılması ile olasıdır. Bu da
süperakışkanlaştırıcılarla birlikte uçucu kül, silis dumanı, granüle yüksek fırın
cürufu, doğal puzolan gibi puzolanik özelikleri de olan ince taneli malzemelerin
betona eklenmesi ile sağlanabilir.
Betonların sınıflandırılmasında basınç dayanımları esas alınır, ancak modern
inşaat mühendisliğinde sınıflandırma için sadece basınç dayanımı yeterli
olmamaktadır. Sınıflandırmada dayanımla birlikte dayanıklılık (durabilite) kriterinin
de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Son zamanlarda beton içeriğinde ve
teknolojisinde elde edilen gelişmeler sonucu betonlar basınç dayanımlarına göre şu
şekilde sınıflandırılmaktadır: (i) konvansiyonel beton – KB, basınç dayanımı 60
MPa’dan düşük olan betonlar; (ii) yüksek mukavemetli beton – YMB, basınç
dayanımı 60-90 MPa arasında olan betonlar; (iii) çok yüksek mukavemetli beton –
ÇYMB, basınç dayanımı 90-130 MPa arasında olan betonlar; (iv) reaktif pudra
betonu – RPB, basınç dayanımı 200-800 MPa arasında olan betonlar; (v) yüksek
performanslı hafif beton – YPHB, basınç dayanımı 55 MPa’dan yüksek basınç
dayanımına sahip betonlar.
Günümüzde yüksek performanslı beton (YPB) olarak adlandırılan yüksek
mukavemetli beton (YMB); yüksek binalar, köprüler, deniz yapıları, sığınaklar,
nükleer reaktörler gibi çeşitli inşaat projelerinde kullanılmaya başlamıştır. Ancak
yüksek dayanım ve dayanıklılık gösteren yüksek performanslı betonlarda ortaya
çıkan bazı sakıncaların da dikkate alınması gerekmektedir. Bu sakıncaların en
önemlisi betonun gevrek bir davranış göstermesidir. Gevreklik nedeniyle betonun
enerji absorpsiyon yeteneği azalmaktadır, ayrıca YPB’ların geçirimsiz bir yapıya
sahip olmaları nedeniyle yangına karşı dayanıksızlığı artmaktadır. Yüksek
performanslı betonların bu olumsuz özeliklerini yok etmek için betona çeşitli miktar
ve tiplerde lif katılması yoluna gidilmiştir. Çeşitli özelikte ve miktarda liflerin betona
katılması ile bu sorun ortadan kaldırılabilir. Lifler aynı zamanda YPB’nun basınç ve
çekme dayanımını da olumlu yönde etkilemektedir.
Yüksek performanslı beton üretiminde en çok çelik lifler kullanılmaktadır.
Çelik liflerin betonda kullanımı geçtiğimiz 25 yıl boyunca artmıştır. Çelik lif
eklenmesi, harç ve betonun mekanik özeliklerinin, özellikle darbe dayanımı ve
xiv
tokluğunun önemli ölçüde artmasını sağlamıştır. Lifli betonda lifsiz betona göre
oluşan en önemli performans artışı, kırılma sırasında enerji yutma kapasitesinin
artmasından ileri gelmektedir. Çelik liflerin yanında polipropilen lifler başta olmak
üzere bazı polimer esaslı lifler de kullanılmaktadır.
Lifler kompozitlerde tek başlarına kullanılabilecekleri gibi kompozite farklı
özelikler kazandırabilmek için diğer liflerle karma bir şekilde de kullanılabilirler. Lif
türünün ve oranının kompozit üzerinde ne gibi etkiler yapacağının, hangi özeliklerini
iyileştireceğinin ve optimum lif miktarının ne kadar olması gerektiğinin saptanması
için daha fazla araştırmalar yapılması gerekmektedir.
Çeşitli miktarlarda mezo çelik lif, makro çelik lif ve mikro polipropilen lif
içeren çimento esaslı kompozit malzemeler üreterek yüksek dayanım, tokluk ve
süneklik sağlayan optimum çözüm bulmak bu araştırmanın esas amacıdır. Böylece
betonun liflerle takviyesinde mikro düzeyde hamur, mezo düzeyde harç matrisi ve
arayüzler güçlendirilecek, makro düzeyde ise uzun çelik lifler kırılma enerjisinin
artmasına katkıda bulunacaktır.
Bu çalışmada 11 beton karışımı farklı lifler katılarak üretildi. Kullanılan
polipropilen liflerin hacimsel yüzdesi % 0,05’de sabit tutuldu. Kancalı ve kancasız
olmak üzere 3 farklı tipte çelik lif bütün karışımlara eklendi. Çelik lifler, karışım
içindeki hacimsel yüzdeleri toplamı % 3 olacak şekilde karışıma farklı miktarlarda
katıldı.
Bütün karışımlarda, kullanılan bağlayıcı ve karma suyu miktarı aynıydı. Silis
dumanı, (% 92 SiO2 içeren) çimento ağırlığının % 10’u oranında olmak üzere
karışıma bulamaç şeklinde katıldı. İşlenebilirliği artırmak için yeni tip
süperakışkanlaştırıcı (polikarboksilik eter esaslı) kullanıldı. Ayrıca, su/bağlayıcı
oranı da 0,27’de sabit tutuldu.
Elastisite modülü ve standart basınç testleri için 150 mm çapında ve 300 mm
yüksekliğinde silindirler bütün karışımlar için hazırlandı. Yarmada çekme deneyleri
için disk numuneler ve kırılma enerjisi deneyleri için de 500 mm uzunluğunda ve
100x100 mm kesitinde kirişler hazırlandı. Kirişlerde açıklığın ortasındaki etkin kesit
alanı testere ile kesilerek 60x100 mm’ye düşürüldü ve bu deneylerde mesnet açıklığı
400 mm’ydi. Böylece net eğilme dayanımı ve kırılma enerjisi bu çentikli kirişlerden
elde edildi.
Çelik lif içeren betonların basınç dayanımları, elastisite modülleri, yarmada
çekme dayanımları, kırılma enerjileri, net eğilme dayanımları ve karakteristik boyları
çelik lif içermeyen betonla karşılaştırıldı. Kırılma enerjisindeki ve mekanik
özeliklerdeki artışlar çelik lif tipine ve miktarına bağlıdır. Çelik lif tipine bağlı olarak
kırılma enerjisinde ve net eğilme dayanımında artışlar oldu. En yüksek süneklik
Dramix RC 65/60 liflerinin kullanıldığı numuneden (R3) ve en yüksek kırılma
enerjileri ve net eğilme dayanımları da narinlik oranı yüksek olan liflerin kullanıldığı
numunelerden elde edildi. Bununla birlikte en az süneklik ise düz kısa kesilmiş
liflerin kullanıldığı betonlardan elde edildi. Karma çelik lif içeren numunelerden elde
edilen kırılma enerjisi değerleri ise orta seviyede oldu.
xv
MECHANICAL BEHAVIOR OF CEMENT BASED COMPOSITES
REINFORCED WITH HYBRID FIBRES-AN OPTIMUM DESIGN
SUMMARY
Concrete is the most widely used structural material in the world. In recent
years, incredible advances in concrete technology have been recorded. Only 30 years
ago, the maximum compressive strength at the construction site was about 40 MPa.
Nowadays, the strength of the concrete used in structures, increased approximately 3
times and even higher strengths can be achieved at special conditions.
The high strength can be obtained by reducing porosity, heterogeneity and
microcracks in concrete and the transition zone. This can be achieved by using
superplasticizers and fine-grained pozzolanic materials such as fly ash, silica fume,
granulated blast furnace slag, and natural pozzolan.
The basic property that classifies concrete in codes and standards is its
compressive strength, but contemporary civil engineering requires not only strength
but also durability. According to the latest achievements in concrete ingredients and
the technology of production the following cement-based concrete classification is
made: (i) conventional concrete -CC, up to grade 60 MPa; (ii) high strength concrete
- HSC, grades 60-90 MPa; (iii) very high strength concrete - VHSC, grades 90-130
MPa; (iv) reactive powder concrete - RPC, grades 200-800 MPa; (v) high
performance lightweight concrete - HPLC greater than 55 MPa.
High performance concretes (HPC), named before high strength concretes,
have started to be used in different construction projects such as tall buildings,
bridges, marine and sea structures, shelters and nuclear reactors. On the other hand,
high performance concretes which have high strength and durability have also some
disadvantages. Brittleness is the most important disadvantage of HPC because energy
absorption capacity is reduced by this behavior. Furthermore, fire resistance of HPC
decreases because of its tough microstructure. This disadvantage can be eliminated
by mixing different types and quantities of fibres to concrete. At the same time,
fibres do positive effect on both compressive and tensile strength too.
The most common used fibres are steel fibres in the production of HPC and
the usage of it has been increasing along the last 25 years. The addition of steel fibres
significantly improves many of the mechanical properties of mortar and concrete,
notably impact strength and toughness. The enhanced performance of fiber-
reinforced concrete compared to its unreinforced counterpart comes from its
improved capacity to absorb energy during fracture. Beside steel fibres, some
polymeric fibres, especially polypropylene, are also started to use in reinforced
concretes.
xvi
These fibres can be used by one type in a cement-based concrete, however,
they can be added as hybrid to strengthen different properties of concrete. This
subject is so new that further investigation is needed to understand which type and
what quantity would be used to affect the required properties positively, and what
optimum fibre quantity is.
The basic objective of this research is providing optimum solution for
obtaining high values of strength, toughness and ductility by producing cement based
composite materials including meso steel fibres, macro steel fibres and micro
polypropylene fibres. Thus, paste at micro level, mortar matrix and interfaces at
meso level would be strengthened and long steel fibres contribute to the increase of
energy during the fracture at macro level.
In this research, eleven concrete mixtures with different fibres were produced.
In all mixtures, the volume fraction of polypropylene fibre was kept constant at 0.05
%. Three different steel fibres with and without hooked ends were added to each
mixture. The volume fraction of each steel fibre was variable, but their total volume
fractions were kept constant at 3 %.
In all mixtures, the amount of binder and mixing water were the same. The
silica fume (92 % SiO2 content), used in the form of slurry, was 10 % by weight of
cement. A new generation type superplasticizer (polycarboxylate ether based) was
used for all mixtures. In all mixtures the water-binder ratio was kept constant at 0.27.
For both the modulus of elasticity and the standard compressive tests
cylinders of 150 mm. diameter and 300 mm. height were prepared for all mixtures.
Disc specimens were used for the splitting tensile tests. The beams prepared for the
fracture energy tests were 500 mm. in length and 100x100 mm in cross section. The
effective cross-section at the mid-span, however, was reduced to 60x100 mm by
means a saw cut and the length of support span was 400 mm. Thus, the net bending
strength and the fracture energy were obtained on these notched beam specimens.
Compressive strength, modulus of elasticity, splitting tensile strength,
fracture energy, net bending strength and characteristic length of concretes with steel
fibres are compared to concrete without steel fibres. The increase in fracture energy
and mechanical properties depends on the type and amount of steel fibre used. The
type of steel fibre increases both net bending strength and fracture energy. The
highest ductility is obtained on concrete with Dramix RC 65/60 (R3). High values for
both fracture energy and net bending strength are obtained in steel fibre reinforced
concretes with high aspect ratios. Low ductility, however, is obtained in concretes
with straight short cut steel fibre. The intermediate fracture values are obtained in
concretes with hybrid steel fibres.
1
1.GİRİŞ
Beton, bütün dünyada kullanılan ve kullanımı en yaygın olan yapı
malzemesidir. Geleneksel anlamda beton; agrega, çimento ve suyun belirli oranlarda
karıştırılmasıyla üretilir. Betona değişik özelikler kazandırmak için katkı maddeleri
de eklenir. Kullanılacak agrega oranlarının belirlenmesinde boşluğun azaltılması
önemlidir. Çimentonun su ile birleşerek meydana getirdiği hamur agregayı birbirine
bağlayarak dayanımı yüksek bir malzeme elde edilmesini sağlar.
1824 yılında Joseph Aspdin tarafından Portland çimentosunun patentinin
alınmasıyla beton yapıların önü açılmış ve beton ve çeliğin birlikte kullanılmasıyla
yapılan ilk betonarme yapı 1852 yılında Francois Coignet tarafından yapılmıştır.
Türkiye’de ilk betonarme yapının yapılması ancak 1920’li yıllarda gerçekleşmiştir.
1930’larda Eugene Freyssinet yerleştirme sırasında betonu sıkıştırmanın betonun
dayanımını artırdığını kanıtlamış ve böylece yapılarda kullanılan betonların dayanımı
artırılabilmiştir [1]. Daha sonraki yıllarda da beton kalitesinin iyileştirilmesi üzerine
çalışmalar yapılmış ve betonların sınıflandırılması için de betonların basınç altındaki
dayanımları önem kazanmıştır. 1960’larda küçük beton ve harç numuneler, doygun
bir ortamda eş zamanlı olarak uygulanan basınç ve ısıtma altında üretilmiş ve 650
MPa’a kadar olan basınç dayanımı bu malzemelerden elde edilmiştir [1]. 1970’li
yıllardan itibaren beton teknolojisinde çok büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. 1980’li
yıllarda süperakışkanlaştırıcıların da kullanılmaya başlamasıyla uygulamada
kullanılan betonların dayanımları çok artmış, ardından da betonların dayanımlarının
yanında klor geçirimliliği, donma-çözülmeye karşı dayanımı, sülfat etkisi altındaki
davranışları ve enerji yutma kapasitelerinin önemi gibi nedenlerle sırf basınç
dayanımlarına göre sınıflandırmanın yetersiz kaldığı düşünülmüş ve durabilite olarak
da adlandırılan dayanıklılık kavramı ön plana çıkmıştır. Önümüzdeki yıllarda
dayanımdan çok dayanıklılığın ön plana çıkması beklenmektedir [2].
1970’li yılların başında ortaya çıkan yüksek dayanımlı malzemeyi bazı
araştırmacılar yeni bir malzeme olarak sınıflandırma yoluna gitmiş ve bu malzemeye
2
önceleri yüksek dayanımlı beton daha sonra da yüksek performanslı beton (YPB) adı
verilmiştir [3].
Yüksek performanslı betonların en olumsuz yanı oldukça gevrek bir yapıya
sahip olmasıdır. Gevreklik nedeniyle betonun enerji absorpsiyon yeteneği azalmakta,
yangına karşı dayanıksızlığı artmaktadır. Yüksek performanslı betonların bu olumsuz
özeliklerini yok etmek için beton teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak 1960’lı
yıllarda beton karışımına çeşitli miktar ve tiplerde lif katılması yoluna gidilmiştir.
1964 yılında Danimarka ve SSCB’de cam liflerle üretim yapılmış, keza 1960’lı
yılların başlarında polimer lifler devreye girmiş ve bunlarla üretilen betonların
patlayıcı etkilere karşı davranışları incelenmiştir [4]. Fakat, bu yıllarda çok sınırlı
sayılarda araştırmalar yapılmıştır. Asıl çalışmalar, 1980’li yıllarda
süperakışkanlaştırıcıların kullanılmaya başlamasıyla yapılmıştır. Beton dayanımında
başlıca etken olan su/çimento oranı süperakışkanlaştırıcılar sayesinde çok
azaltılabilmiş, böylelikle yüksek performanslı betonların üretimi kolaylaşmıştır. Bu
tarihten sonra da lifli betonlar üzerine yapılan çalışmalar artmaya başlamıştır.
Erişilen bu gelişmelerin sonucunda yüksek performanslı betonların kullanımı,
tüm dünyada, özellikle yüksek dayanım gerektiren açık deniz yapıları, sığınaklar ve
bazı stratejik yapılarda ve taşıyıcı elemanlarda kesit küçültmesine olanak
sağladığından yüksek yapılar ve köprülerde, her geçen gün artmaktadır.
Russel’ın [5] belirttiğine göre bazı araştırmacıların yaptığı bir çalışmada; 23
katlı bir iş merkezinin inşaatında kolonlarda 41 MPa basınç dayanımına sahip
betonların kullanılması halinde 865 mm.'lik kare kolon kullanılması gerekirken, 83
MPa basınç dayanımına sahip betonların kullanılması halinde bu 610 mm.'ye
düşmekte, buna bağlı olarak beton dökümüne harcanan fiyat da 9,90 $/m2'den 5,60
$/m2'ye düşmektedir. Fiyattaki bu düşüşe ek olarak daha küçük kolon boyutları, boş
alan kazancı ve böylece daha kullanışlı kat imkanı sağlar.
Son zamanlarda betonun mekanik performansını artırmaya yönelik olarak
bilinen iki yaklaşım vardır:
- Birincisi sık dizilmiş küçük parçacıklı (DSP- Densified Small Particle)
beton olarak bilinen yoğun taneciklerden oluşan bir matris içeren betondur. Bu
betonlarda yüksek oranda süperakışkanlaştırıcı ile silis dumanı ve sertliği yüksek
3
agrega (kireçli boksit ve granit gibi) kullanılır. Bu malzemelerin basınç dayanımları
150 ve 400 MPa arasında değişir.
- İkinci yaklaşım ise Macro Defect Free (MDF) olarak bilinen polimer
takviyeli harçları içeren betonlardır. Polimerizasyon işlemi betondaki boşlukları
doldurarak aşırı yüksek dayanımlı ve yoğun matrisler oluşturur. Bununla birlikte, bu
malzemelerin çok özenli koşullarda üretilmeleri gerekir: Dönme kapasitesi yüksek
mikser gerekir ve burdan elde edilen karışım daha sonra bir çok kez merdanelerden
geçirilerek tabakalar halinde elde edilir. Bu problemlere ek olarak yerleştirilirken
basınç uygulanması gerekir, MDF’ler sudan kolay etkilenir ve büyük oranda sünme
sorunu vardır.
Bu nedenle malzeme çok sıkı ve aynı zamanda kırılgan bir yapıya sahip olur,
liflerin eklenmesi de bu yüzden sünekliği artırmak için gereklidir.
MDF çimento zaten yüksek oranda viskoz olduğundan liflerin matrise
eklenmesi çok büyük yerleştirme problemlerine neden olur. Bu yüzden araştırmacılar
ve üreticiler DSP matrise lif eklenmesine yönelmişlerdir. Fakat, hangi lifin ne
oranlarda kullanılması gerektiği ve buna bağlı olarak betonun hangi özeliklerinin ne
miktarda değiştiğinin tespiti bir sorundur ve optimum çözümlerin bulunması için
araştırmalar yoğun biçimde sürmektedir.
Uygulamada kullanılan lif çeşitleri saman, yonca, plastik, seramik-cam ve
çelik liflerdir. Çeşitli teknikler uygulanarak ultra yüksek dayanımlı çimento esaslı
kompozitler (UYDÇK) üretilmektedir. Örneğin, kronolojik sırayla yazarsak;
- 6 mm uzunluğunda ve 0.15 mm. çapında olup karışıma yüzde 5 ila 10
arasında bir miktarda katılan çelik liflerle üretilen UYDÇK’lar: Bu tip beton,
Danimarka’daki Aalborg Portland Company tarafından geliştirilmiş ve Compact
Reinforced Composites (CRC) adıyla piyasaya sürülmüştür.
- 13 mm. uzunluğunda ve 0.16 mm. çapında olup karışıma yüzde 2.5
oranında katılan çelik liflerle üretilen UYDÇK’lar: Bu tip beton, Fransa’daki
Bouygues şirketi tarafından geliştirilmiş ve Reactive Powder Concrete (RPC) adıyla
piyasaya sürülmüştür.
- Kısa ve uzun liflerin karıştırılması ile elde edilen UYDÇK’lar. Bu tip
beton, Multi-scale Fibre Reinforced Concrete (MSFRC) olarak bilinir ve Fransa’daki
Laboratoire Central des Ponts et Chaussees tarafından geliştirilmiştir [6].
4
Reaktif Pudra Betonu (Reactive powder concrete-RPC) her ne kadar DSP gibi
düşünülse de birçok farklı yönleri vardır ve ayrı bir yaklaşım olarak ele alınması
gerektiği öne sürülmektedir [1]. Bu tip betonlarda tane boyutu dağılımı daha sıkı bir
yapı elde etmek için optimize edilmiştir ve toplam boşluk oranı DSP betonlara göre
daha düşüktür. Ayrıca daha az lif kullanılarak daha sünek bir yapı elde edilebilir.
Liflerin beton karışımlarına katılması çatlakları önleyici bir etki yapar, bu
lifler tek çeşit olarak kullanılabilecekleri gibi malzemenin değişik özeliklerini
iyileştirebilmek açısından birkaç lif karıştırılarak da kullanılabilir, böyle üretilen
betonlar Karma Lif Takviyeli Betonlar (Hybrid Fiber Reinforced Concretes) olarak
isimlendirilir. Büyük ve çekme dayanımı yüksek lifler büyük çatlakları, kısa ve
çekme dayanımı düşük lifler ise çatlak başlaması ve ilerlemesini kontrol amacıyla
kullanılırlar.
Lifler betonun; çekme, basınç ve eğilme dayanımı ile rötre, sünme, yorulma
gibi mekanik özeliklerini ve yangına dayanıklılığını, katılan miktarına, şekline, beton
içindeki dağılımına, uzunluğuna, hangi malzemeden yapıldığına ve narinlik adı
verilen boy/çap oranına göre etkilemektedirler.
Beton yapılarda halen yaygın olarak kullanılan lifler; çelik, polimer
(polipropilen, PVA), cam ve karbon esaslı liflerdir. Chunxiang Qian ve Piet Stroeven
3 farklı boyut ve yapıda çelik lif ve polipropilen lif kullanarak yaptıkları çalışmada;
farklı boyutlardaki çelik liflerin farklı mekanik özeliklere farklı miktarlarda katkıda
bulunduğu, kısa kesilmiş kancasız liflerin eklenmesinin basınç dayanımında dikkate
değer bir artış yaparken yarmada çekme dayanımında çok az bir artışa neden olduğu,
enerji yutma kapasitesini en fazla uzun liflerin eklenmesiyle artırdığı, uzun çelik lif
ve polipropilen lifin birlikte kullanılmasının yük taşıma kapasitesi ve kırılma enerjisi
üzerinde ilk başta olumlu bir etki yaparken şekil değiştirmenin artması ile bu olumlu
etkinin zamanla azaldığı sonuçlarına vardılar [7].
Bu çalışmada da farklı boy ve narinliğe sahip çelik lifler kullanılmış, ayrıca
tüm karışımlara % 0,05 oranında polipropilen lif de katılmıştır. Betonların basınç ve
çekme dayanımlarındaki artışlar yanında özellikle enerji absorplama niteliğinin
ölçütü olarak kırılma enerjileri ve net eğilme dayanımları saptanmıştır.
5
1.1.Amaç:
Çeşitli miktarlarda mezo çelik lif, makro çelik lif ve mikro polipropilen lif
içeren çimento esaslı kompozit malzemeler üreterek yüksek dayanım, tokluk ve
süneklik sağlayan optimum çözüm bulmak bu araştırmanın esas amacıdır. Böylece
betonun liflerle takviyesinde mikro düzeyde hamur, mezo düzeyde harç matrisi ve
arayüzler güçlendirilecek, makro düzeyde ise uzun çelik lifler enerjinin kırılma
sırasında artmasına katkıda bulunabilecektir. Aynı zamanda durabilitesi ve
geçirimsizliği yüksek bir beton elde etmek amacıyla da çok ince taneli silis unu ve
silis dumanı kullanılmaktadır. Silis dumanı puzolanik özeliği nedeniyle çimento
hamuru ile agrega arasındaki ara yüzey bölgesinin iyileştirmesinde olumlu bir etki
yapmaktadır. Ayrıca çok ince taneli olduğundan boşlukları doldurma etkisi de vardır.
Böylece büyük tanelerin arasındaki boşluklar daha küçük tanelerle yine onların
arasındaki boşluklarda kendilerinden daha küçük tanelerle doldurularak taneler arası
boşlukların mümkün olduğu kadar azaltılmasına çalışılmaktadır.
Beton üretiminde önemli olan bir nokta da malzemelerin karışıma eklenme
sırasıdır. Malzemeleri karıştırma sırasının ve taze betonu sıkıştırmanın da önemli
olduğu daha önce yapılan çalışmalarda gösterilmiştir. Bu yüzden numunelerin
üretiminde daha önceden belirlenen karıştırma sırası uygulanmıştır.
1.2.Çalışmanın Ana Hatları:
Mikro polipropilen lif ile çeşitli miktarlarda mezo çelik lif ve makro çelik lifi
tek tek veya karma biçimde içeren çimento esaslı kompozit malzemeler üretilerek
yüksek dayanım, tokluk ve süneklik sağlayan optimum çözüm arandı.
Bu çalışmada PÇ 42,5 cinsi çimento, çok ince taneli silis dumanı, ve agrega
olarak da silis unu, kırmakum, deniz kumu ve I nolu kırmataş kullanıldı.
Deneylerde 2'si ucu kancalı biri düz olmak üzere 3 çeşit çelik lif ve bir çeşit
polipropilen lif kullanıldı. Polipropilen lif 20 mm. boyunda 16 mikron çapında 0,91
kg/dm3 özgül ağırlığında ve liflendirilmiş tipte liftir. Çelik liflerin özelikleri ise
Tablo 1.1.’de görülmektedir.
6
Tablo 1.1: Çelik liflerin özelikleri
Lif Adı Lif tipi Boy (mm) Çap
(mm) Narinlik
Çekme
Dayanımı
(MPa)
RC 65/60 Makro 60 0.9 65 1000
ZP 305 Makro 30 0.55 55 1100
OL 6/16 Mezo 6 0.16 37.5 2250
Çelik lif içermeyen bir seri ile hacimce % 3 oranında çelik lif içeren 10 seri
olmak üzere toplam 11 farklı bileşime sahip beton üretildi, hepsinde de polipropilen
lif oranı hacimce % 0,05’de sabit olarak tutuldu. Bütün bileşimlerde nominal çimento
dozajı 600 kg/m3’dür. Silis dumanı çimento ağırlığının % 10’u oranında kullanıldı.
Su/çimento oranı % 30’da ve su/bağlayıcı oranı da % 27’de sabit tutuldu.
Polikarboksilik eter esaslı yeni kuşak süperakışkanlaştırıcı bütün bileşimlerde aynı
işlenebilmeyi sağlayabilmek için az miktarda değiştirilerek çimento ağırlığının % 2
ila 3’ü oranında katıldı.
Üretilen karışımların her birinden 100x100x500 mm boyutlarında 3 adet
prizma, 150x300 mm. boyutlarında 3 adet silindir ve 150x60 mm. boyutlarında 6
adet disk numuneleri üretildi. Prizma numunelerin ortalarında 40 mm.’lik çentikler
elmas testere ile açıldı. Silindir numuneler üzerinde yapılan basınç deneyleri ile
basınç dayanımları ve elastisite modülleri, disk numuneler üzerinde yapılan
deneylerle de yarmada çekme dayanımları elde edildi. Ayrıca ortadan çentikli prizma
numunelerde 3 noktadan yüklemeli eğilme deneyleri yapılarak kırılma enerjileri ve
net eğilme dayanımları bulundu ve daha sonra bulunan bu değerler yardımıyla
malzemelerin gevrekliklerinin bir ölçütü olan karakteristik boy değerleri hesaplandı.
7
2. LĠF TAKVĠYELĠ KOMPOZĠTLERĠN GENEL ÖZELĠKLERĠ
2.1. Lifler Hakkında Genel Bilgi
Lif, doğal kaynaklardan elde edilen, ya da insan eliyle üretilen, uzunluğu,
bükülgenliği, esnekliği ve dayanıklılığı olan hammaddedir. Uygulamada kullanılan
doğal ve yapay lifler vardır. Hayvan, bitki, mineral gibi doğal kaynaklardan elde
edildiği biçimi ile doğrudan kullanılabilen hammaddeler doğal lifler‟dir. Yapay lifler
ise, aranan belirli özelikleri taşıyacak biçimde özel olarak geliştirilen ve bu amaçla
insan yapısı olarak üretilen maddelerdir [8].
Lifler malzemelerin en geliştirilmiş halidir, dayanımları ve elastisite
modülleri genellikle aynı malzemenin büyük hacimli formuna göre çok büyüktür.
Doğada lif formunda birçok malzeme vardır. Lifler insanoğlu tarafından uzun
zamandır kullanılmaktadır. Geleneksel bir malzeme olan kerpiçte, kil hamuruyla
birlikte bitkisel liflerin, samanın; alçı sıva ve kartonpiyer uygulamalarında keten
veya kenevir liflerinin, kıtık ve at kuyruğu, keçi kılı gibi hayvansal liflerin
kullanıldığı bilinmektedir [9, s.:4]. Türkiye‟de yapılan bir arkeolojik kazı 9000 yıl
önce burada yaşayan insanların keten bitkisinin liflerinden dokuma yaptıklarını ve
keten, kumaş gibi şeyleri ürettiklerini göstermektedir [10, s.:1].
İnsan eliyle üretilen lifler ilk defa 19. yüzyılın sonunda ortaya çıkmasına
rağmen bu sentetik liflerin geçmişi 60 yıldan daha fazla değildir. Bununla birlikte bu
kısa zamanda vazgeçilemez bir hale gelmişlerdir [11, s.:1].
Lif tanımı, bir boyutu diğer boyutuna göre çok büyük olan her türlü
malzemeyi belirtmektedir. Bu tip malzemeler için genelde lif ifadesi kullanılmakla
birlikte, bazı durumlarda lifler malzeme türüne ve üretildiği malzemeye göre de tel
veya kıl olarak isimlendirilebilmektedir.
8
2.1.1. Lif ÇeĢitleri
Farklı özelikleri ve kullanım alanları bakımından birçok lif türü vardır. Bu
lifleri değişik biçimlerde sınıflandırmak mümkündür. Lifler, genel olarak şöyle
sınıflandırılabilirler [10]:
Tablo 2.1, çeşitli lif cinslerinin özeliklerini göstermektedir. Bu tabloya göre
çelik ve cam lifler, çekme dayanımı yönünden en iyi performansı gösteren lif
cinsleridir. Çelik lifler özgül ağırlığı en fazla olan lif cinsi olarak ayrıca bir özelik
taşırlar [12].
Tablo 2.1: Değişik cins liflere ait fiziksel özelikler [12].
LĠF CĠNSĠ
ÇEKME
DAYANIMI
(MPa)
ELASTĠSĠTE
MODÜLÜ
(103, MPa)
MAKSĠMUM
UZAMA
(%)
ÖZGÜL
AĞIRLIK
(gr/cm3)
Akrilik 207-414 2.1 25-45 1.1
Asbestler 552-966 83-138 0.6 3.2
Pamuk 414-690 4.8 3-10 1.5
Cam 1035-3795 69 1.5-3.5 2.5
Naylon 759-828 4.1 16-20 1.1
Polyester 724-863 8.3 11-13 1.4
Polietilen 690 0.14-0.4 10 0.95
Polipropilen 552-759 3.5 25 0.90
Pamuk-Yün 414-621 6.9 10-25 1.5
Mineral yünü 483-759 69-117 0.6 2.7
Çelik 276-2760 200 0.5-35 7.8
Doğal Lifler
Hayvansal
Lifler
Bitkisel
Lifler
Mineral
Lifler
Sentetik Lifler
Polimer
Lifler
Metalik
Lifler
Seramik ve
Cam Lifler
Lifler
9
2.1.1.1. Doğal Olarak Elde Edilen Lifler
Lif takviyeli kompozitleri oluşturmada kullanıldığı bilinen en eski doğal lifler
saman ve at yelesidir. Hatta günümüzde bile Osmanlı zamanından kalma alışkanlıkla
bazı cami kubbelerinde saman kullanımına rastlanmaktadır. Modern teknoloji lifleri,
çimentolu kompozitlerde kullanılan jüt ve bambu lifleri gibi, çeşitli bitkilerden daha
ekonomik biçimde elde etmeyi mümkün kılmıştır. Bu liflerin en önemli özeliği, çok
kolaylıkla elde edilmeleridir. Ancak bu liflerin kullanımında karşılaştığımız ana
sorun, bunların alkali ortamda parçalanma eğiliminde olmalarıdır. Bu liflerin
durabilitesini artırmak için betonun alkalitesini azaltacak katkılar kullanılmalıdır.
Portland çimentosu ile kullanılan diğer doğal lifler ise; akwara (Nijerya‟da
yetişen aynı adlı bir bitkinin gövdesinden elde edilmektedir.), bambu, hindistan
cevizi, flax, jüt, sisal, şekerkamışı posası ve ahşapdır [13, s.:110].
2.1.1.2. Metalik Lifler
Metaller başta mühendislik uygulamaları olmak üzere birçok alanda sıkça
kullanılırlar. Metaller, mekanik ve fiziksel özeliklerin mükemmel bir
kombinasyonunu oldukça uygun fiyatlara sağlayabilirler. Metallerin önemli
özeliklerinden bir tanesi plastik şekil değiştirebilme yeteneğidir. Böylece, çok basit
şekillerden başlayarak çok karmaşık şekil ve formlarda üretim yapılabilmesine
olanak sağlar. Uçak gövdesinden büyük petrol ve gaz borularına ve hatta günlük
hayatta kullandığımız pek çok basit alete kadar metallerin kullanımına rastlanır. Lif
formundaki metaller uzun zamandır kullanılmaktadır. Örneğin tunç lifler lambalarda,
bakır ve alüminyum lifler elektrik uygulamalarında, çelik lifler öngerilmeli yapılarda,
kablo olarak asma köprülerde, süperiletkenlerde ve piyano, violin gibi çeşitli müzik
aletlerinin tellerinde kullanılmaktadır. Bazı önemli metalik liflerin özelikleri Tablo
2.2‟de görülmektedir [10, s.:108].
10
Tablo 2.2: Bazı metalik liflerin tipik özelikleri [10].
Metal Özgül
Ağırlık(gr/cm 3 )
Ergime
sıcaklığı
( 0 C)
Elastisite
modülü
(GPa)
Çekme
Dayanımı
(MPa)
Al 2,7 660 70 300
Be 1,8 1350 310 1100
Cu 8,9 1083 125 450
Mo 10,2 2625 330 2200
W 19,3 3410 350 2890(<250 )m
3150(<125 )m
3850(<25 )m
0.9 % Karbon çeliği
(0.1 mm. çapında) 7,9 1300 210 4000
Paslanmaz çelik
(0.05 mm. çapında) 7,8 1535 198 2400
Çelik lifler, betona katılan metalik liflerin en yaygın olanıdır. Ortaya çıkan
ürün de kısaca ÇLTB (çelik lif takviyeli beton) veya MLTB (metal lif takviyeli
beton) diye adlandırılır. Takviye elemanları olarak üretilen çelik lifler, aynı
uzunluktaki cam ve polimer liflere göre daha kalın ve daha serttir. Dairesel kesitli
çelik liflerin çapları 0.2 ile 1.0 mm arasında değişmektedir. Uzunlukları ise genelde
20 ile 50 mm arasında değişmektedir. Eritip çekme yöntemi ile veya amorf yapıda
şerit biçiminde üretilen çelik liflerin, üretim yöntemine göre belirlenen boyut ve
şekilleri vardır. Bu lifler genellikle yaklaşık 1.8 mm genişlikte ve 0.025 mm ile 0.100
mm kalınlıkta ve düz kesitlidir, uzunlukları da 10 mm ile 60 mm arasındadır.
Çelik liflerin sertlikleri ve karıştırma sırasında bükülmeye karşı gösterdikleri
yüksek dirençleri, diğer liflerle karşılaştırırken çelik liflerin narinliğini göz önünde
bulundurmayı gerektirmektedir. Narinlik oranı lifin boyunun çapına bölünmesiyle
(l/d) bulunur. Çelik liflerin narinlik oranı 20 ile 250 arasında değişmektedir [14,
s.:243].
11
Beton takviyesinde kullanılabilecek çelik lifleri sınıflandıran ve özeliklerini
belirten Amerikan standardı ASTM A 820-96‟da [15] çelik lifler 4 değişik şekilde
sınıflandırılmıştır. Bunlar:
Tip 1:soğuk çekilmiş lifler
Tip 2:plakadan kesilmiş çelik lifler.
Tip 3:eritilip çekilmiş lifler.
Tip 4:diğer lifler.
Bu lifler düz veya değişik şekillerde olabilir. Bunların beton içindeki
performansları; narinlik oranları, yapıları ve beton içerisindeki konsantrasyonları ile
de yakından ilgili olduğundan piyasada çeşitli tipleri bulunmaktadır [16].
Türk standardı TS 10513/92 [17] ise çelik lifleri şekillerine göre şu şekilde
sınıflandırmaktadır:
A:Düz, pürüzsüz yüzeyli lifler
B:Bütün uzunluğunca deforme olmuş lifler
C:Sonu kancalı lifler
B sınıfı lifler, uzunluğu boyunca deforme olma şekline göre;
Üzerinde girintiler (çentikler) açılmış lifler
Uzunluğu boyunca dalgalı (kıvrımlı) lifler
Ay biçimi dalgalı lifler olmak üzere üçe,
C sınıfı lifler sonlarındaki kancalara göre;
İki ucu kıvrılmış lifler
Bir ucu kıvrılmış lifler olmak üzere ikiye ayrılır.
Bu çelik lif tipleri ve kesitleri Şekil 2.1‟de görülmektedir.
12
Şekil 2. 1 Çeşitli çelik lif tipleri [17].
TS 10513/92‟de çelik liflerin özelikleri ile ilgili iki önemli parametre vardır:
i) Liflerin çekme-kopma gerilmesi ortalaması en az 345 N/mm2
olmalıdır her bir lif
için çekme-kopma gerilmesi 310 N/mm2‟den az olmamalıdır. ii) 16 1
0C‟lik
ortamda, 3.18 mm‟lik bir iç çap çevresinde yapılan lif eğilme deneyinde teste tabi
SINIF A-Düz, Pürüzsüz yüzeyli lifler
SINIF B-Bütün uzunluğu boyunca deforme olmuş lifler
a)Üzerinde girintiler (çentikler) açılmış lifler
b)Uzunluğu boyunca dalgalı lifler
c)Ay biçimi dalgalı lifler
SINIF C-Sonu kancalı lifler
a)İki ucu kıvrılmış lifler
b)Bir ucu kıvrılmış lifler
13
tutulan liflerin % 90‟ının kırılmaksızın 900
eğilme yapabilmesi koşuludur. Bu
özelikler, betonda kullanılan liflerin daha sünek ve çekme dayanımı yönünden de
daha yüksek bir dayanıma sahip olmasına olanak sağlar. Çelik liflerin sünek davranış
göstermesi betonun karıştırılması ve yerleştirilmesi için de gerekli bir parametredir
[18].
2.1.1.3. Polimerik Lifler
Polimer lifler çok geniş uygulama alanları ve çeşitleri olan bir lif tipidir.
Polimer lifler doğal ve sentetik olmak üzere iki ana grupta değerlendirilebilir. Doğal
lifler, pamuk, sisal ve hint keneviri gibi bitkisel veya yün, deri vs. gibi hayvansaldır.
Doğal lifler genellikle doğada polimer olarak bulunurlar. Fakat bununla beraber kimi
doğal lifler kaya formasyonlarında bulunabilir. Bu lifler mineral haldedir ve bu
yüzden seramik olarak adlandırılabilir. Örneğin asbest ve bazalt bu gruba girer [10,
s.:37].
Polimerik lifler, 20. yüzyılın ikinci yarısında çok büyük ilerlemeler
göstermiştir. Gerçekte, lif çağı olarak adlandırılabilecek dönem 1930‟ların sonları ve
1940‟ların başlarında naylon ve polyester gibi sentetik liflerin keşfi ile başlamıştır.
Bu sentetik polimer liflerin çoğu çok düzenli ve kopya edilebilir özeliklere sahip
olmakla birlikte düşük elastisite modülüne sahip olduklarından tekstil sektöründe
kullanımları kısıtlı olmaktaydı. Polimer takviyesinde kullanmak için sağlam ve
elastisite modülü yüksek sentetik polimerik liflerin yapılması işi 1950‟lerin sonları
ve 1960‟ların başlarında araştırma konusu olmuş ve böylece aramid ve uzun zincirli
yapıya sahip polietilen gibi sağlam ve yüksek elastisite modülüne sahip liflerin
yapılması mümkün olmuştur [10, s.:58].
Sentetik polimerik liflerin başlıcaları polipropilen, naylon, polietilen, aramid
ve perlondur. Sentetik polimerik liflerin günlük yaşantımızda pek çok uygulama
alanı vardır. Örneğin, naylon ve polyester; iç çamaşırı, yağmurluk, spor kıyafetler
gibi giyim eşyaları; keten, halı, döşeme, perde gibi ev eşyaları; ve ip, balık ağı,
emniyet kemeri, şerit, çadır gibi endüstriyel ürünlerin üretiminde kullanılmaktadır.
Polipropilen lifler, aynı zamanda çimento esaslı malzemelerin takviyesinde
de kullanılabilir. Fakat liflerin kullanım miktarı genelde çok düşüktür (% 0.5 ila %10
arası). Harç ve betona lif katılmaya başlanmasının nedeni; lifin malzemenin çekme
14
ve darbe dayanımını artırması ve çatlak oluşumundan sonra sünek bir yapı
göstermesini sağlamasıdır [10, s.:101].
Bazı polimer liflerin fiziksel özelikleri Tablo 2.3.‟de verilmiştir.
Tablo 2.3. Polimer liflerin fiziksel özelikleri [13].
Lif Tipleri
Etkili Çap
(10-3 mm)
Özgül
Ağırlık
(gr/cm3)
Çekme
Dayanımı
(MPa)
Elastisite
Modülü
(GPa)
Nihai
Uzama
(%)
Akrilik 13-104 1.17 207-1000 14.6-196 7.5-50.0
Aramid I 12 1.44 3620 62 4.4
Aramid II 10 1.44 3620 117 2.5
Naylon 1.16 965 5.17 20.0
Polyester 1.34-1.39 896-1100 17.5
Polietilen 25-1020 0.96 200-300 5.0 3.0
Polipropilen 0.90-0.91 310-760 3.5-4.9 15.0
2.1.1.4. Cam Lifler
Cam lifler, sertlik, korozyona dayanıklılık ve diğer malzemelerle fazla
tepkimeye girmeme gibi tipik cam özeliklerini sergilerler. Ayrıca, esnek, hafif ve
pahalı olmayan bir malzemedir. Bu özelikler cam liflerini düşük maliyetli endüstriyel
uygulamalarda en çok tercih edilen lif tipi yapmaktadır. Cam lifler yüksek dayanıma
sahip olduklarından, lif yüzeyinde oluşan kusurlar hem sayıca az hem de boyutça
küçüktür. Bütün cam lifler elastisite modüllerinin benzer olmalarına karşın farklı
dayanım değerlerine sahiptirler ve çevresel etkilere karşı dirençleri de farklıdır. E tipi
cam lifler, yüksek çekme dayanımı ve kimyasal direncin gerekli olduğu
uygulamalarda kullanılırlar. Bu tip camlar, düşük fiyat, yüksek korozyon dayanımı
ve iyi mekanik özeliklere sahip olduğundan yapısal takviyelerde de tercih edilirler. S
tipi ve S-2 tipi camlar en yüksek dayanıma sahiptirler fakat E tipine göre 3-4 kat
daha pahalı olduklarından kullanım alanları kısıtlıdır. Diğer cam lif tipleri ve
uygulama alanları ise; C tipi; korozyon dayanımı gereken uygulamalarda, D tipi;
elektrik akımına karşı direncinin yüksek olması nedeniyle seramik sigorta gibi
elektriğe dirençli malzemelerin üretilmesinde, A tipi ve AR tipi; yüksek alkalin
dayanımı gerektiren uygulamalarda kullanılabilirler [19, s.:16-18].
15
Cam liflerin özellikle E tipi, beton ve çimento gibi alkalin içeren ortamlarda
kullanılması zamanla korozyana neden olabilir, bu yüzden cam liflerin bu
uygulamalarda kullanılması istenmez [10, s.:203-204]. Bununla birlikte 1971 yılında
İngiltere‟de Pilkington firmasının, Yapı Araştırma Kurumu (BRE) ve Britanya
Teknoloji Grubu‟nun birlikte Cem-fil diye adlandırılmış olan, alkali etkisine dirençli
nitelikteki cam liflerini üretmesi cam lifi donatı alanında bir dönüm noktası
oluşturmuştur. Bundan sonra, beton ve harçların donatılmasında bu özel cam lifleri
kullanılmaya başlamıştır [9, s.:6]. Bazı önemli cam liflerin tipik özelikleri Tablo
2.4.‟de verilmiştir.
Tablo 2.4. Bazı cam liflerin tipik özelikleri [10].
Cam lif tipi Özgül Ağırlık
(g/cm 3 )
Çekme
Dayanımı (GPa)
Elastisite
Modülü (GPa)
E 2.54 1.7-3.5 69-72
S 2.48 2.0-4.5 85
C 2.48 1.7-2.8 70
Cem-fil 2.70 - 80
Cam lifler, genelde çimento hamuruna veya harç karışımlarına katılır, kaba
agregalı betona pek katılmaz. Bu şekilde üretilen çimento esaslı kompozitler Cam Lif
Takviyeli Kompozitler (CLTK) olarak bilinir. Bunlar kompleks ve büyük boyutlu
kaplama panellerden prekast betonların üretimine kadar çeşitli alanlarda
kullanılabilmektedir [14, s.:237].
2.2.Matris ve Lifler Arasındaki EtkileĢim
Matris ve lif arasındaki etkileşim çimento esaslı lifli kompozit malzemelerin
performansını etkileyen temel özeliktir. Bu etkileşimi anlayabilmek için lif katkısını
ve kompozit davranışını belirlemeye gerek vardır. Çok sayıda araştırmacı bu
etkileşim üzerinde çalışmıştır. Çeşitli faktörler bununla ilgilidir. Matris ve lif
arasındaki etkileşimi etkileyen temel özelikler şu şekildedir:
Matrisin durumu: çatlamış veya çatlamamış olması,
Matrisin niteliği,
Lif geometrisi,
16
Lif tipi: örneğin, çelik, polimer, mineral veya doğal yollarla oluşan lif olması,
Lif yüzeyinin özelikleri,
Matrisin elastisite modülüne göre lif elastisite modülünün karşılaştırılması,
Liflerin yönlenmesi,
Lifin hacimsel yüzdesi,
Yükleme hızı,
Kompozitteki liflerin durabilitesi ve uzun dönem etkisi
Bu parametreler arasında var olan etkileşimleri karşılayan, kullanılabilir
teorik modeller çok azdır [13, s.:17].
2.2.1.Homojen ÇatlamamıĢ Matris ile Lif Arasındaki EtkileĢim
Bu tip etkileşim yüklemelerin başlangıcında hemen hemen tüm
kompozitlerde görülür. Bununla birlikte çoğu zaman matris, servis ömrü süresinde
çatlayabilir. Çatlamamış matris ile lif etkileşimi bu yüzden pratik uygulamalarda
sınırlayıcı bir durumdur. Bu etkileşimin sonucu, kompozitin tüm davranışını anlamak
olasıdır. Ayrıca, çatlaklar kompozit içinde geliştiğinde dahi, yapının çatlamamış
kısımları yapının tüm özeliklerini etkiler.
Tek lif içeren basit bir lif-matris sistemi Şekil 2.2‟de görülmektedir.
Yüklenmemiş durumda, matris ve lifin her ikisinde de gerilmeler sıfır kabul edilir.
(Şekil 2.2a). Kompozite çekme veya basınç gerilmelerinin uygulanması veya
kompoziti sıcaklık değişimlerine maruz bırakmak birbiriyle uyumlu gelişen gerilme
ve şekildeğiştirmeler oluşturur. Çimento matrisinde, çimentonun hidratasyonu
gerilmeleri hem matris hem de lifte düşürür. Matrise yük uygulandığı zaman, yükün
bir kısmı liflere yüzeyi boyunca etkir. Lif ve matris arasındaki elastisite modülü
farklarından dolayı lif yüzeyi boyunca kayma gerilmeleri gelişir. Bu kayma gerilmesi
uygulanan yükün bir kısmının liflere iletilmesine yardımcı olur. Eğer lif matristen
daha sağlam bir yapıdaysa lifteki ve etrafındaki deformasyon Şekil 2.2b ve 2.2c‟de
görüldüğü gibi daha küçük olur. Bu tip durum çelik ve mineral liflerle ortaya çıkar.
Eğer lifin elastisite modülü matrisinkinden daha küçük ise lif çevresindeki
deformasyon daha fazla olur. Bu durum polimer veya bazı doğal lifler içeren
kompozitlerde meydana gelir.
17
Şekil 2.2: Çatlamamış matriste lif-matris ilişkisi a) yüklenmemiş b) çekme etkisinde
c) basınç etkisinde [13].
Pratikte lifler en azından iki doğrultuda rasgele dağılır. Lif takviyeli
kompozitlerde lifler üç doğrultuda da rasgele dağılır. Ayrıca çelik liflerin çoğu ve
polimer liflerin bazıları yüzeylerinden veya uçlarından deforme edilmişlerdir. Hemen
hemen tüm durumlarda lifler arasında olan etkileşim problemi daha da karmaşık bir
hale sokar. Bu yüzden, pratik uygulamalarda kullanılan matematiksel modeller hala
gelişim aşamasındadır.
Kompozit davranışına bağlı olarak lifler kompozitin hem dayanımına hem de
elastisite modülüne etkir. İçerik ve katkısı; lif tipi, lif yüzdesi ve matrisin özeliklerine
bağlıdır. Örneğin % 10 çelik lif içeren bir kompozitten beş kat daha fazla bir
dayanım elde edilir, eğer lif yüzdesi % 2'nin altında ise ihmal edilebilecek kadar az
bir artış elde edilir [13, s.:18-20].
2.2.2.ÇatlamıĢ Matris ile Lif Arasındaki EtkileĢim
Çekme gerilmelerine maruz bırakılan lif takviyeli kompozitlerde (Şekil 2.2b)
gerilmeler belli bir değere ulaşınca matris çatlar (Şekil 2.3). Matris çatlayınca lifler
çatlak boyunca matrisin bir tarafından diğer tarafa yükü taşır. Pratikte çeşitli lifler
çatlaklar arasında köprü kurarak yükü çatlak boyunca iletir. Eğer lifler yeterli yükü
çatlak boyunca iletirse birçok çatlak numune boyunca bu şekilde tutulur. Yüklemenin
bu aşaması çoklu çatlama safhası olarak tanımlanır. Çoğu uygulamada bu çoklu
çatlama safhası servis yükleri altında meydana gelir.
(a) (b) (c)
18
Şekil 2.3: Çatlamış matriste lif-matris ilişkisi [13].
Yük-kayma değişimi, liflerin tipinin ve dağılımının etkisi, tek liflerin sıyrılma
dayanımının nasıl hesaplanacağı ve rasgele dağılmış liflerin etkileşimi ile ilgili pek
çok araştırmalar yapılmıştır, böylece çok sayıda lifin davranışı tahmin edilmeye
çalışılmıştır. Tek ve çok sayıda lifin sıyrılmasını belirtmek için çeşitli deneysel
teknikler kullanılmıştır [13, s.:20-24].
Şekil 2.4, liflerin enerji yutma ve çatlak genişlemesini kontrol etme yollarını
göstermektedir. Şekilde görülen lifler soldan sağa doğru lifin kopmasını,
sıyrılmasını, köprü kurmasını ve lif matris ara yüzeyini yeniden bağlamasını
göstermektedir bu mekanizma lifler arasındaki mesafeye bağlı değildir ve etkilidir,
her ne kadar küçük miktarlarda olsa da tek bir lif için bile dikkate değer miktarlarda
olabilmektedir [20].
Matris
Lif
19
2.3.Lif Takviyeli Çimento Esaslı Kompozitler
Lif takviyeli çimento esaslı kompozitler, kompozit malzemelerin önemli bir
grubunu oluşturmaktadırlar. Bilindiği gibi her malzeme çeşitli olumlu ve olumsuz
özeliklere birarada sahiptir. Tasarımcı ve üretici, amaçlarına uygun malzemeyi
seçerken, bilinçli ya da bilinçsiz olarak birbirlerine seçenek oluşturan malzemeler
arasında, nitelikleri her yönüyle değerlendirerek, içinde bulunulan koşullar altında en
uygun malzemeyi seçmeyi hedeflemektedir. Kompozit malzeme üretimi mevcut
temel malzemelerin olumsuz yanlarının iyileştirilmesi ve böylelikle kullanım
alanının genişletilmesi, çok yönlü kullanımın sağlanması yönünde önemli bir adımı
oluşturmaktadır [9].
ASTM C 1116-97‟ye [21] göre lif takviyeli betonlar 3‟e ayrılmaktadır:
Tip 1: Çelik Lif Takviyeli Betonlar(SFRC): Paslanmaz çelik, çelik alaşımı veya
karbon çeliğini içerir.
Tip 2: Cam Lif Takviyeli Betonlar(GFRC):Alkaliye karşı dirençli camları içerir.
Şekil 2.4: Lif/matris mekanizmasının enerji yutması [20].
Lif kopması
Lif sıyrılması
Lif köprüsü
Matris çatlaması
Lif/matris birleşmesi
20
Tip 3: Sentetik Lif Takviyeli Betonlar (Synthetic FRC): Saf polipropilen lifler ve
diğer sentetik lifleri içerir.
Çimento esaslı malzemelerin çekme dayanımları ve toklukları düşüktür. Bu
özelikleri iyileştirmek için çimento matrisini liflerle güçlendirmek günümüzde çok
kullanılan yaygın bir yöntemdir. Liflerin görevi, gerilme uygulanan çimento
matrisindeki çatlak gelişimini engellemek veya geciktirmek, çatlağın hızlı ve
kontrolsüz ilerleyişini yavaş ve kontrollü bir hale getirmektir. Çatlak ilerleyişinin
yavaş ve kontrollü bir hale gelmesi ile çelik lif takviyeli betonlarda gevrek kırılma
davranışı gösteren normal betonlardaki ani göçme riski azalır. Ayrıca liflerin
katılmasıyla malzemenin servis ömrü uzar, termik şok dayanımı artar ve daha küçük
kesitlerle daha fazla üretim yapılabilir [16]. Bu kompozitler, en yaygın olarak beton
yol üst yapılar, endüstriyel döşemeler, su yapıları, püskürtme beton uygulamaları,
şev stabilitesi ve tünel kaplamaları, havaalanı kaplama betonları, liman kaplamaları,
depreme dayanıklı yapılar, yangına dayanıklı beton yapılar, prekast elemanlar, beton
borular, ve askeri güvenlik yapılarında kullanılmaktadır [18].
Lifler, betonun tokluğunu, eğilme dayanımını veya her ikisini birden
artırabilirler. Örneğin polipropilen lifler betonun tokluğunu dikkate değer bir şekilde
artırırken çekme dayanımına çok az etki ederler, bununla birlikte polipropilen ve cam
lifleri birlikte kullanarak yüksek tokluk ve çekme dayanımına sahip betonlar üretmek
mümkündür. Tablo 2.5 ve Tablo 2.6 lif takviyeli betonlarda bu değerlerdeki artışı
göstermektedir.
21
Tablo 2.5: Bazı lif takviyeli çimento esaslı malzemelerin tokluk değerlerinin lifsiz
malzemelerle karşılaştırılması [22].
Kompozit Hacimsel lif yüzdesi Göreli tokluk*
BETON
Çelik 0.5 2.5-4.0
Çelik 1.0 4.0-5.5
Çelik 1.5 10-25
Cam 1.0 1.7-2.0
Polipropilen 0.5 1.5-2.0
Polipropilen 1.0 2.0-3.5
Polipropilen 1.5 3.5-15.0
HARÇ
Çelik 1.3 15.0
Asbest 3-10 1.0-1.5
ÇĠMENTO HAMURU
Cam 4.5 2.0-3.0
Mika 2.0-3.0 3.0-3.5
* Bu değerler sadece örnek değerlerdir ve test metodları, özel üretimler ve karışımlardaki
farklılıklara bağlı olarak değişebilirler.
Tablo 2.6: Bazı lif takviyeli çimento esaslı malzemelerin eğilme dayanımı
değerlerinin lifsiz malzemelerle karşılaştırılması [22].
Kompozit Hacimsel lif yüzdesi Göreli eğilme dayanımı*
BETON
Çelik 1-2 2.0
Cam 1-2 2.5-3.5
HARÇ
Çelik 1.3 1.5-1.7
Cam 2 1.4-2.3
Asbest 3-10 2.0-4.0
ÇĠMENTO HAMURU
Cam 4.5 1.7-2.0
Mika 2-4 2-2.5
Polipropilen 1-2 1.0
* Bu değerler sadece örnek değerlerdir ve test metodları, özel üretimler ve karışımlardaki
farklılıklara bağlı olarak değişebilirler.
22
Günümüzde lifler çok çeşitli yapısal uygulamalarda kullanılmaktadır. Tablo
2.7 çeşitli lif tiplerinin, lif takviyeli kompozitlerde kullanım alanlarını
göstermektedir.
Tablo 2.7: Lif takviyeli kompozitlere katılan lifler ve uygulama alanları [22].
Lif Tipi Uygulamalar
Cam Prekast paneller, giydirme cephe kaplamaları, kanalizasyon
boruları, ince beton çatılar ve beton blokların sıvasında.
Çelik
Çatı uygulamalarında kullanılan gözenekli betonlar,
kaldırımlar, köprü döşemeleri, ateşe dayanıklı elemanlar,
beton borular, havalimanları, rüzgara dayanıklı yapılar, tünel
kaplamaları, gemi omurgaları.
Polipropilen,naylon
Temel kazığı, öngerilmeli kazıklar, kaplama panelleri,
yürüyüş yolları, marinaların iskele elemanları, yol yamaları,
büyük çaplı sualtı borularının kaplamaları.
Asbest
Saç, boru, levhalar, yangına dayanıklı malzemeler ve yalıtım
malzemeleri, kanalizasyon boruları, oluklu ve düz çatı
levhaları, duvar kaplamaları.
Karbon Dalgalı şekilli çatı kaplama elemanları, tek veya çift kat ince
membran yapılar, tekne omurgaları, yapı iskelesi tahtaları.
Mika Çimento esaslı levhalarda kısmen asbestin yerine, beton
borular, tamirat malzemeleri.
2.3.1.Taze Betonun ĠĢlenebilirliğine Lif Etkisi
Çelik lifler agrega ile çok zor karışırlar, özelikle yüksek oranda lif içeren
düşük işlenebilirliğe sahip betonlarda, lifler birbirlerine kenetlenerek üniform
olmayan bir karışıma sebep olurlar. Liflerin demet olmasına topaklaşma denir. Eğer
beton yüksek işlenebilirliğe sahip ise topaklaşma riski daha düşük olur. Yüksek
işlenebilirlik genellikle karışıma süperakışkanlaştırıcılar eklenmesiyle elde edilir.
Karışımda ince daneli malzeme yüzdesi fazla ise lif dağılımı daha kolay olur.
Çimentonun yerine konabilecek uçucu kül ve diğer puzolanlar veya silis dumanı ile
ince daneli malzeme oranı artırılabilir. Lifler genellikle karışıma beton veya harç
karıştırıldıktan sonra eklenmektedir, fakat genel kabul görmüş, etkili bir çelik lifli
23
beton karıştırma şekli yoktur. Fakat, çelik lifli betonların üretiminde çok aşamalı
yöntemler kullanıldığı da bilinmektedir. Bu yöntemlerden biri ilk önce betonun
“temel” veya “matris” kısmını karıştırmaya dayanır. Burada amaç 50-100 mm çökme
değerine sahip orta kıvamda bir karışım hazırlamaktır Süperakışkanlaştırıcı eklenir
ve beton tekrar karıştırılır. Karıştırma, çökme değerinin 175 mm‟ye çıkmasına veya
tamamiyle betonun yayılmasına sebep olur. Lifler bu aşamada katılır ve VeBe veya
ters koni deneyleriyle ölçülen kıvamın düşmesine neden olurlar. Lifler çökme
değerini 130-160 mm. civarına düşürürler 130 mm‟den 160 mm‟ye kadar olan
çökme değerleri genellikle, tamamiyle sıkıştırılabilir ve kolaylıkla yerleştirilebilir iyi
kıvamda bir lifli karışımı gösterir.
Agreganın içindeki ince dane yüzdesi taze karışımın işlenebilirliğini etkiler.
Bu etki Şekil 2.5'de görülmektedir.
Şekil 2.5: Süperakışkanlaştırıcı kullanılmış çelik lif takviyeli karışımlarda çelik lif ve
kum miktarının çökmeye etkisi [14].
Modern beton tesisleri, lifleri taze karışım içerisine eleyerek katan veya
püskürten özel lif dağıtıcı ekipmanlarla donatılmışlardır. Kullanılan lifin çeşidine
göre, bu tesisler yaklaşık % 4 çelik lif içeren beton üretebilirler. Normal çelik liflere
göre daha rijit ve genellikle daha kısa olan eritilip çekilmiş lifler ile demetler
halinde satılan kancalı liflerin yüksek işlenebilirlikli taze betonlarda üniform bir
şekilde karıştırılması için özel ekipmanlara gerek yoktur.
Farklı lif tiplerinin ve farklı karışım yüzdelerinin etkilerini çökme ve VeBe
deney sonuçlarına göre inceleyen bazı araştırmalara göre liflerin narinlik oranı ile
karışımın işlenebilirliği arasındaki ilişki, hacimce % 0.5 ila % 4 lif içeren betonlar
için Şekil 2.6‟da görülmektedir.
Ġnce Agrega (%)
Çök
me
(mm
)
% 1 lif
% 1.5 lif
24
Şekil 2.6: Çelik liflerin narinliğinin (l/d) ve hacimce yüzdesinin (Vf) taze betonun
işlenebilirliğine etkisinin çökme ve VeBe deney sonuçlarına göre incelenmesi [14].
Çelik lifler beton karışımlarına püskürtülerek de eklenebilir. Bu şekilde
kullanılan lifler genellikle daha kısa, yaklaşık 12 mm uzunluğundadır. Eritilip
çekilmiş lifler gibi sağlam lifler karışıma püskürtme ağızlığında dahil edilirler. Lifler
önceden suyu ilave edilip karıştırılmış betona katılmasına veya kuru olarak karışıma
püskürtme ağızlığında ilave edilmesine göre farklı şekillerde karışıma katılabilirler
[14, s.:252-256].
2.3.2. Lif Özeliklerinin Kompozitin Özeliklerine Etkisi
Lif Takviyeli Kompozitlerin performansı; kullanılan liflerin geometrisi, boyu,
karışımda kullanılan yüzdesi, narinlik adı verilen boy/çap oranı, hangi maddeden
VeBe
Çökme
25
üretildiği ve üretim teknikleri gibi özeliklere bağlıdır. Bu yüzden lif takviyeli
kompozitler üretilirken bu özeliklerin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir.
2.3.2.1. Lif Geometrisinin Etkisi
Günümüzde artık, geleneksel düz yuvarlak kesitli, çekme liflerden kesilmiş
lifler yerine çok çeşitli tiplerde lifler üretilmektedir. Özellikle çelik lifler artık pek
çok değişik şekillerde üretilmektedir. Çelik liflerin farklı geometrilerde
üretilmesinden amaç matris ve lif arasındaki mekanik bağı kuvvetlendirerek liflerin
etkinliğini artırmaktır.
Çelik lifleri üretmek için birçok yöntem vardır. Normal lif çekme teknikleri
ile üretilen yuvarlak kesitli lifler nispeten pahalı olmaktadır. Buna karşın, plakaları
keserek elde edilen dikdörtgen kesitli liflerin üretimi ise daha düşük maliyetle
yapılabilmektedir. Bir diğer lif üretim yöntemi ise eritip çekme yöntemidir. Eritilip
çekilmiş lifler böbrek şekilli kesitleri ile çekme liflerden ayrılırlar. Ayrıca dış yüzleri
de düzensizdir ve bu sayede beton matrisi ile mekanik bağı kuvvetlidir. Hızlı
katılaştırma bu çeşit liflerin pürüzlü bir yüzeye sahip olmasına neden olur, bu da
yapışmayı ve sürtünme kuvvetine karşı olan direnci artırır [23].
Taze beton karışımında liflerin topaklaşması ve liflerin varlığından dolayı
işlenebilirliğin azalması, özellikle yüksek oranda lif içeren karışımlarda probleme
neden olur. Bu sorunun üstesinden gelmek için, suda eriyebilen ya da mekanik
etkiler ile kopabilen bir yapıştırıcı ile 10-30 adet lifin birbirine yapıştırılması yoluna
gidilmiştir. Böylece, işlenebilirlik artar ve liflerin topaklaşması önlenir. Bu yöntem
sayesinde taze beton karışımının işlenebilirliği çok az düşer. Daha sonra da
karıştırma sırasında yapıştırıcının çözünmesi ile her bir lif karışım içinde dağılır [23].
Ayrıca bu yöntem taşıma ve kullanmada kolaylık sağlar. Farklı çelik lif tipleri ve
kesitleri Şekil 2.7‟de görülmektedir.
26
Şekil 2.7: Çelik lif tipleri ve kesitleri [23].
Soroushian ve Bayasi [23] yaptıkları çalışmaya göre en etkili liflerin çiftkenar
ve tekkenar formlu lifler olduğunu ve ondan sonraki en etkili lif tipinin de kancalı lif
olduğunu belirtmişlerdir. Gene aynı çalışmaya göre narinlik oranı 60 olan liflerin
kullanıldığı hacimsel lif yüzdesi % 2 olan kompozitlerde kancalı lifler, düz ve
kıvrımlı liflere göre kompozitlere daha fazla eğilme dayanımı ve enerji yutma
kapasitesi kazandırmışlardır. Aynı sonuç narinlik oranı 75 olan liflerin kullanıldığı
uygulamalarda da elde edilmiştir.
2.3.2.2. Lif Boyunun Etkisi
Kompozitin özeliklerini geliştirmekte lifin şekli kadar boyu da önemlidir.
Çimento esaslı kompozitlerle uygulanan, lif yüzdesi sabit tutularak fakat lif boyu
uzun seçilerek yapılan deneylerde çekme dayanımında sağlanan artışın fazla
olamadığı gözlenmiştir. Bunun sebebi büyük olasılıkla, mikro çatlak bölgesindeki
Düz Kancalı Kıvrımlı Çiftkenar form Tekkenar form
Paletli Sonlanmış Düzensiz Oyuklu
Yuvarlak Dikdörtgen Düzensiz
27
matris kırılmasının önlenemediği olgusuna dayandırılmıştır. Uzun lifler mikro
çatlaklar bölgesinden uzakta iseler oluşan mikro çatlakları önleyemezler; ancak
mikro çatlaklar makro çatlaklara dönüşürse uzun lifler işlev görmeye başlar ve
kompozitin tokluğunu artırırlar (Bkz Şekil 2.8). Buna karşılık kısa lifler mikro-
çatlaklar arasında köprü görevi görürler; bunlar aynı hacimsel yüzdede kullanıldıkları
durumlarda dahi birbirlerine daha yakın mesafede olacaklardır. Şekil 2.8‟de
gösterildiği gibi kısa lifler çekme dayanımını daha çok artırırlar [24]. Buna karşılık
aynı narinlik oranında kısa liflerin sıyrılması, makro çatlaklar oluşmaya başladıktan
sonra kolaylaşır ve böylece eğrisinde maksimum değerinden sonraki
davranış süneklik göstermez.
Şekil 2.8: Çatlak köprülenmesine farklı lif boyutlarının etkisi [24].
2.3.2.3. Lif Narinlik Oranı ve Lif Yüzdesinin Etkileri
Lif narinlik oranı ve karışıma katılan lif miktarı betonun işlenebilirliğini
dolayısıyla da mekanik özeliklerini büyük ölçüde etkiler. Narinlik oranı, lifleri
tanımlayan en önemli parametrelerden biridir. Lif uzunluğunun yuvarlak kesitli lifler
için çapa (l/d), yuvarlak olmayanlar içinse eşdeğer çapa (l/de) bölünmesiyle bulunur.
Bu oran 40 ila 1000 arasında değişir ama genelde 300‟den daha düşüktür [20].
Soroushian ve Bayasi [23] yaptıkları çalışmada karışıma eklenen liflerin narinlik
oranlarının büyük olması durumunda taze betonun işlenebilirliğini azalttığını
belirtmişlerdir.
28
Üretimde kullanılan lif içeriği de optimum bir değerin üzerine çıkmamalıdır.
Lif içeriğinin yüksek olması durumunda karıştırma ve yerleştirme problemleri ortaya
çıkar ve lifler karışım içerisinde topaklanır. Bu topaklanmalar matris içerisinde zayıf
bölgelerin oluşmasına neden olur. Karışımda iri taneli agrega kullanılmaması, lif
narinlik oranının optimum bir değerde olması, liflerin karışıma kuru katılması ve
süperakışkanlaştırıcı kullanılması ile liflerin matris içerisinde homojen dağılması
sağlanabilir [16].
Lifler teorik olarak betona ne kadar çok katılabilirlerse kompozitin
özeliklerini de o kadar çok artırabilirler, çünkü daha fazla lif çatlakların büyümesine
karşı daha fazla direnç demektir. Lifler sayesinde tek çatlağın yayılması yerine
düzensiz çoklu çatlaklar oluşur. Bu da kompozitin basınç ve eğilme dayanımı ile
tokluğunun artırılmasında etkili olur. Uygulamalarda ise yerleştirme problemlerinden
dolayı kompozite hacimce % 3‟den daha fazla oranda lif katılmasına pek rastlanmaz,
genelde de bu oran % 1-2 civarında tutulur. Fakat son yıllarda yeni yöntemlerle bu
oranın yükseltilebilmesi mümkün olmuştur. Örneğin ekstrüzyon yöntemi adı verilen
yöntemle % 7-8 civarında lif katılması mümkünken SIFCON üretiminde bu oran % 4
ila 20 arasında mümkün olabilmektedir.
Zollo [20] lifli betonları lif miktarlarına göre şu şekilde değerlendirmiştir:
% 0.1-% 1:Düşük lif yüzdeli
% 1 - % 3:Normal lif yüzdeli
% 3-% 12:Yüksek lif yüzdeli
2.3.2.4. Lif Özeliklerinin Kompozit Özeliklerine Etkisini Ġnceleyen Diğer
ÇalıĢmalar
Lange ve arkadaşları [25] yaptıkları çalışmada 3-6 mm. boyundaki karbon ve
çelikden yapılmış mikroliflerle % 2 ve 4 oranında takviye edilmiş çimento esaslı
kompozitler üretmişler ve bunlar üzerinde kullanılan lifin hacimsel yüzdesinin,
boyunun ve tipinin etkisini tek eksenli çekme deneyi ve 3 noktalı eğilme deneyi
sonuçlarına göre araştırmışlardır. Sonuç olarak lif hacminin ve boyunun artmasının
kompozitin özeliklerini artırdığını, eğer matrise silis dumanı katılırsa bunun da
özelikleri iyileştirdiğini ve çelik lifin sünekliğinden ve yüzeyinin sertliğinden dolayı
karbon life göre daha iyi etki yaptığını belirtmişlerdir.
29
Chanvillard ve Aitcin [26] kıvrımlı lifleri kullanarak yaptıkları çalışmada
değişkenlerin analizine dayalı istatistiki yöntemi (anova) kullanarak lif boyunun ve
lif doğrultusunun kompozitin özeliklerine etkisini araştırmışlar ve bunu kısaca Tablo
2.8‟deki şekilde belirtmişlerdir.
Tablo 2.8: Lif boyunun, açısının ve kullanılan su/çim. oranının kompozit özeliklerine
etkisi [26].
B=Boy, A=Açı
Issa ve arkadaşları [27] yaptıkları çalışmada, kullanılan liflerin boyunun, lif
aralıklarının ve kullanılan numunenin boyutlarının, uzunlamasına dizilmiş liflerin
kullanıldığı çentikli harç numunelerin kırılma davranışına etkisini ölçmek için bir
deneysel program yürütmüştür. Elde ettikleri sonuçlar şöyle özetlenebilir:
Lif boyu ve uygun lif aralıkları arttıkça, uzunlamasına dizilmiş liflerle takviyeli
harcın kırılma enerjisi düşmektedir. Lif aralıklarının kademeli olarak değişmesiyle
kırılma enerjisinde bir artış görülmektedir, fakat bu artış lif aralıkları 6.35 mm‟ye
düşürülene kadar önemli miktarlarda değildir.
Deney sonuçlarına göre gerilme yoğunluğu faktörü liflerin boyuna veya lif
aralıklarına bağlı değildir.
Liflerin köprüleme etkisi ile artan çatlakların kapanma etkisi, lif boyları ve
liflerin arasındaki boşlukların küçülmesi ile artar. Bu etki aralıkların yaklaşık 6.35
mm‟ye düşmesi ile daha belirgin hale gelir
Kırılma enerjisi, enerji yayılma oranı ve gerilme yoğunluğu faktörü numunenin
kalınlığından bağımsızdır.
Eren Ö. ve Çelik T. [28] yaptıkları çalışmada silis dumanının ve çelik lif
tiplerinin, çelik lif takviyeli yüksek dayanımlı betonların (ÇLTYDB) özeliklerine
etkisini incelemişlerdir. Çalışmada iki farklı silis dumanı yüzdesi ve üç farklı kancalı
lif (30/0.50, 60/0.80, 50/0.60, boy/çap, mm/mm) kullanılmıştır. Lifler hacimce üç
Parametre Çok Etkili Az Etkili
Tepe yüküne karşı gelen şekildeğiştirme B;BxA A
Tepe Yükü B;A Su/çim.
Yutulan Enerji B;A Su/çim.;BxA
30
farklı oranda, beton hacminin yüzde 0.5, 1.0, 2.0‟si oranlarında karıştırılmıştır.
Sonuçlara göre yarmada çekme dayanımı (ft) ile kullanılan lif yüzdesi (Vf) arasında
lineer bir ilişki vardır [ft=A(Vf)+B, A ve B korelasyon katsayısı] ; aynı şekilde
betonun yarmada çekme dayanımı (ft) ile basınç dayanımı (fc) arasında bir ilişki
vardır [ft =C Cf +D, C ve D korelasyon katsayısı]. Bu bağıntılar; hiç silis dumanı
katılmamış ve çimento ağırlığının % 5.0 ve 10.0‟u oranında silis dumanı katılmış
ÇLTYDB‟nun yarmada çekme dayanımındaki gelişmeyi açıklayabilmektedir. Diğer
taraftan basınç dayanımı üzerinde silis dumanı etkisi olmasına karşın, çelik liflerin
miktarı ve narinliği basınç dayanımını çok az olarak etkilemiştir.
Deneylerden çıkardıkları sonuçlarda şu şekildedir:
Katılan liflerin çap ve miktarlarını artırmak ÇLTYDB‟ların Ve-be zamanını
artırır.
Her ne tür olursa olsun lif içeriğinin artırılmasıyla taze ÇLTYDB‟ların içinde
kalan hava azalır.
Narinliği 60 olan % 2 lif içerikli betona % 10 silis dumanı eklenmesiyle
yarmada çekme dayanımı %129.91 artmıştır.
A serisi koduyla üretilen betonun yarmada çekme dayanımı (ft) ile, kullanılan
lif yüzdesi (Vf) arasında ve yarmada çekme dayanımı (ft) ile basınç dayanımı (fc)
arasında lineer bir fonksiyonla; hiç silis dumanı içermeyen ve çimento ağırlığının %
5.0 ve % 10.0 oranında silis dumanı içeren ÇLTYDB‟nun yarmada çekme
dayanımındaki gelişme açıklanabilir.
% 10 silis dumanı ve % 1 oranında narinliği 60 olan lif eklenmiş A serisi beton
% 28.27 ile maksimum basınç dayanım artışı sağlamıştır.
% 2 oranında ve narinliği 75 olan lif içeren A serisi betonun basınç
dayanımında % 40.69 düşüş olmuştur.
2.4.Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
2.4.1.Çelik Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
Çelik lif takviyeli betonların özellikle enerji yutma kapasiteleri, darbe ve
yorulma dirençleri yüksektir. Bu lifler betondaki çatlakların genişlemesini
31
durdurarak, çatlakta köprü oluştururlar ve yükün bir kısmını çatlağa dik doğrultuda
iletirler.
Çelik lif takviyeli çimento esaslı kompozitlerde betonun kırılma mekaniği
değişiktir. Bu kompozitlerde ilk çatlağın oluşmasından sonra çimento hamuru
fazından çelik liflere doğru bir gerilme transferi meydana gelir. Bunun sonucunda
beton içerisindeki miktar ve geometrik özeliklerine bağlı olarak çelik lifler, bu
gerilmelerin bir kısmını kendi üzerlerinde taşıdıkları gibi bir kısmını da matrisin
sağlam bölgelerine transfer ederek yayarlar.
Lifsiz betonda başlangıçta gerilmenin artması ile meydana gelen çatlağın
yayılması için gerekli enerji düşüktür ve genellikle böyle bir çatlağın başlatılması
için gereken enerjinin yarısı kadardır. Beton içerisinde lif bulunması halinde ise
başlangıçtaki mikro çatlağı meydana getiren enerji lifler aracılığı ile çatlağın
yanındaki sağlam çimento hamuru fazı bölgelerine aktarılır. Bu nedenle çatlağın
yayılması ve büyümesi için daha fazla enerji gerekir. Böyle bir enerjinin bulunması
durumunda bile bu enerjinin büyük bir bölümü lifler tarafından taşınır ve bu taşıma,
liflerin çimento hamuru matrisinden çekilip sıyrılması için gerekli enerji seviyesine
kadar devam eder. Bu enerjinin sağlanması için çok büyük bir kuvvet gereklidir.
Nihai yüke ulaşıldıktan (beton kırıldıktan) sonra bile, çelik lifler kırılan beton
parçalarını bir arada tutmaya devam ederek nihai yükten bir miktar daha fazlasını da
taşımaya devam ederler [18].
Çelik lif takviyeli betonun mekanik özelikleri; lifin boyu, şekli ve beton
içerisindeki miktarı, liflerin narinlik oranı, çimento cinsi ve miktarı, numunelerin
boyutu, şekli, hazırlanma metodları, su/bağlayıcı oranı, kullanılan agregaların cinsi
ve tane dağılımı ile yakından ilgilidir. Ayrıca, ısıl işlem uygulamasının da lifli
betonun mekanik özeliklerine etkisi büyüktür. Bu tip etkenler deney sonuçlarını
büyük ölçüde etkiler ve normal betonun zayıf olan bir çok özeliğini iyileştirerek
performansını artırır. Bu iyileşmeler genel olarak Tablo 2.9‟da görülmektedir.
32
Tablo 2.9: Lif takviyeli betonların bazı özeliklerinde matris malzemesinin
özeliklerine oranla görülen artışın yaklaşık değerleri [9].
Betonun Özeliği ArtıĢ (%)
Tokluk 100-1200
Darbe dayanımı 100-1200
İlk Çatlak Dayanımı 25-100
Çekme Dayanımı 25-150
Basınç Dayanımı 25
Yorulma Dayanımı 50-100
Şekil değiştirme oranı 50-300
Eğilme Çekme Dayanımı 25-200
Kavitasyon-Erezyon Direnci 200-300
Elastisite Modülü 25
2.4.1.1.Basınç Etkisinde DavranıĢ
Beton gevrek bir malzeme olduğu için basit mukavemet değerleri arasında en
yüksek olanı basınç, en düşük olanı çekmedir. Basınç dayanımı betonun tüm pozitif
nitelikleriyle paralellik gösterir. Yüksek basınç dayanımlı bir beton doludur, serttir,
su geçirmez, dış etkilere dayanır, aşınmaz [29].
Çelik liflerin, betonun basınç dayanımı üzerindeki etkisi, çeşitli faktörlere
bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Çelik liflerin basınç dayanımı açısından
önemli bir artışa neden olmadığı söylenebilir. Çelik lifler tarafından sağlanan
dayanım artışı % 25‟i nadiren geçer. Çeşitli lif tiplerinin artan kullanımıyla birlikte
kompozite katılan lif miktarı genelde 60 kg/m3 olur veya hacimce % 0.75‟i geçmez.
Bu miktarda katılan liflerin dayanıma etkisi ihmal edilebilecek düzeydedir. Eğer
katılan lif miktarı 120 kg/m3‟ü geçerse her ne kadar çok dikkate değer olmasa da bir
miktar artış beklenebilir [13, s.:149].
Matris kompozisyonunun yapısı, dayanım ve enerji yutma kapasitesine en
azından iki yolla katkıda bulunur. Birincisi liflerle yaptığı bağdır. Örneğin silis
dumanı içeren matris liflerle daha iyi bir bağ yaparak onları daha etkili hale getirir.
İkincisi ise matrisin gevrekliğidir ve lif takviyeli kompozitlerin davranışlarında
önemli bir rol oynar. Normal dayanımlı betonlar yüksek dayanımlı betonlardan daha
az gevrektirler ve lif ilavesiyle daha da sünek davranış gösterirler. Silis dumanı veya
uçucu kül eklenmesi de gevrekliği biraz artırır. Böylece yüksek dayanımlı betonları
33
sünek hale getirmek için normal dayanımlı betonlara göre daha çok lif ilave etmek
gerekmektedir.Bu durum Şekil 2.9 ve Şekil 2.10‟da görülmektedir. Normal
dayanımlı beton için 60 kg/m3
çelik lif ilavesi sünek davranış için yeterli
olmaktayken yüksek dayanımlı betonlarda bu miktar 120 kg/m3‟e çıkmaktadır [13,
s.:150-151].
Şekil 2.9: 50 mm. boyunda kancalı çelik lif içeren normal dayanımlı betonun
gerilme-şekildeğiştirme davranışı [13].
Şekil 2.10: 30 mm. boyunda kancalı çelik lif içeren yüksek dayanımlı betonun
gerilme-şekildeğiştirme davranışı [13].
Çelik lif takviyeli kompozitler (ÇLTK) kullanılarak yapılan yapıların dizayn
ve analizinde, bunların basınç altında nasıl davranacaklarını anlayabilmek için basınç
altındaki gerilme-şekildeğiştirme davranışlarının bilinmesi gerekir. Bu davranış
deneysel olarak saptanabileceği gibi ampirik formüllerle de tahmin edilebilir. Çok
sayıda ampirik eşitlik yalın beton için daha önceden önerilmiştir. ÇLTK içinse
Lif içeriği
(kg/m3)
Ger
ilm
e (k
si)
ġekildeğiĢtirme (mm/mm)
Yalın beton
(48 MPa)
Lif içeriği (kg/m3)
Ger
ilm
e(k
si)
ġekildeğiĢtirme (mm/mm)
30
60
90
120
60
90
120
Yalın
beton
34
Fanella ve Naaman [30], Ezeldin ve Balaguru [31] ve Nataraja ve arkadaşlarının [32]
önerdiği bazı analitik eşitlikler mevcut olmakla birlikte kesin bir kabul yoktur.
Nataraja ve arkadaşları [32] yaptıkları çalışmada lif yüzdesini; % 0.50, 0.75
ve 1, lif narinliklerini; 55 ve 82 olarak seçtikleri kıvrımlı çelik liflerle yaptıkları
çalışmalarında 30 ila 50 MPa basınç dayanımına sahip ÇLT‟li betonlar üreterek
bunların basınç altında gerilme-şekildeğiştirme davranışlarını araştırmışlardır.
Sonuçta lif ilavesiyle basınç dayanımında ve maksimum gerilme değerine karşılık
gelen şekildeğiştirme değerinde artış gözlemişler ve bu değerlere dayanarak analitik
eşitlik önermişlerdir.
Ding ve Kusterle [33], ÇLT‟li betonların basınç altındaki erken dayanımlarını
incelemiş ve ilginç sonuçlara varmışlardır. İlk zamanlarda basınç yükü altında taze
betonun tepe yükünün süresi çelik liflerin kullanılmasıyla lifsiz betona göre artış
göstermektedir. Ayrıca çelik lifler gene ilk zamanlarda basınç yükü altında betonun
sünekliğini ve enerji yutma kapasitesini sadece çatlak sonrasında değil aynı zamanda
tepe yükünden öncede artırmaktadır. ÇLT‟li betonlar, özellikle ilk andan itibaren
büyük yüklere maruz kalan tünellerdeki püskürtme beton uygulamalarında önem
kazanmaktadır.
2.4.1.2.Eğilme Etkisinde DavranıĢ
Çelik lif takviyeli betonlar için en önemli özelik eğilme altındaki
davranışlarıdır. Çünkü çoğu uygulamalarda kompozit çeşitli eğilme yüküne maruz
kalır. Lif katılması ile normal betonun eğilme direnci artırılır. Liflerle daha iyi bağ
yapan betonlarda eğilme direncinde artış yüksek olur. Bütün durumlarda eğilme
dayanımındaki artış, basınç ve yarmada çekme dayanımından daha fazladır. Lif
miktarı ve narinliği bu artışta önemli rol oynar. Uzun lifler numune boyunca daha iyi
yönlenerek daha fazla dayanım artışına neden olurlar. Belli lif tipinde daha yüksek
narinlik oranına sahip olan lif, dayanımı daha çok artırır. Eğilme sertliğini etkileyen
başlıca faktörler; lif tipi, lif geometrisi, lif miktarı, matrisin yapısı ve numunenin
boyutudur [13, s.:155-156].
Lif katkısının eğilme dayanımına ve sünekliğe etkisini anlayabilmek için en
basit olarak kompozitin gerilme-şekildeğiştirme davranışı gözlenir. Şekil 2.11
değişik tip ve miktarlarda lif içeren lif takviyeli kompozitler (LTK) için tipik bir
gerilme-şekildeğiştirme grafiğidir. Bu eğrilerin yük artış kısmı hepsinde de benzerdir
35
fakat çatlak sonrası davranışları farklıdır. Çatlak sonrası kısımda oluşan bu farklılık
lif katkısına bağlıdır.
Şekil 2.11: Lif takviyeli kompozitler için tipik yük-sehim eğrileri [13].
Eğer lif miktarı azsa çatlaklar arasında köprü kurulması yeterli miktarda
karşılanamayacağından çatlak oluşmadan önce matris tarafından karşılanan yükün
küçük bir kısmı karşılanabilir. Böyle kirişlerin davranışı klasik eğilme teorisi ile
açıklanabilir. Şekil 2.11‟deki 1. eğri böyle bir davranışı göstermektedir. Eğer çekme
gerilmelerinin önemli bir kısmını taşıyacak miktarda lif kompozit içinde mevcut ise
2. eğriyle gösterilen davranış oluşur. 1. ve 2. eğriyle gösterilen durumlarda liflerin
gösterdiği direnç çatlamamış matrisin gösterdiği dirençlerden daha düşüktür. Böyle
eğriler tarafından gösterilen davranış yük yumuşaması davranışı olarak adlandırılır.
Eğer lifler çatlak öncesi çekme bölgesinde matrise eşit veya daha fazla kuvvet
gösterebilirlerse 3 ve 4 ile gösterilen eğriler oluşur. Lifler tarafından gösterilen bu
direnç matris ve lifler arasındaki bağa da bağlıdır [13, s.:85-87].
Bir numunenin yük-sehim eğrisi oluşturulduğunda bu eğrinin altında kalan
alan enerji yutma kapasitesi ile orantılıdır. Beton karışımına lif eklenmesinin en
önemli faydası, enerji yutma kapasitesini önemli ölçüde artırmasıdır. Burada
karşılaşılan sorun ise bu özeliğin nasıl ölçüleceğidir. Bu özeliği ölçmek için çeşitli
standartlar ve önermeler vardır. Bunlardan en yaygın kullanılan ikisi Amerikan
standardı ASTM C1018 [34] (tokluk indekslerinin hesaplanması) ve Japon standardı
JCI -SF4 [35] (eğilme tokluk faktörlerinin hesaplanması) „dür. Türk standardı TS
10515 [36] ise hem eğilme gerilmesinin hem de tokluk indekslerinin hesaplanmasını
ġekildeğiĢtirme
Yü
k
36
tavsiye etmiştir. Bu tokluk parametrelerinin kullanımında bazı şüpheler vardır, çünkü
bunlar malzeme özelikleri değildir ve ASTM C 1018'e göre tokluk indeksleri
hesaplanırken ilk çatlak yükünün tespit edilmesinin gerekmesi ve kullanılan yükleme
makinalarının farklı özelikleri sorun yaratmakta, JCI-SF4'e göre hesaplanan eğilme
tokluk faktörleri ise yük-sehim eğrisinde maksimum yük değerinden sonraki
şekildeğiştirme yumuşaması bölgesini tanımlamaya yeterince uygun olmamaktadır.
Bu yüzden, lif takviyeli yüksek performanslı betonların kırılma davranışının
değerlendirilebilmesi için kesin bir yöntem belirlenmeye çalışılmakta ve bu konuda
çeşitli önermeler ve tavsiyelerde bulunulmaktadır [37-40].
Literatürde ÇLT‟li kompozitlerin eğilme etkisindeki davranışlarını araştıran
çok sayıda araştırma vardır. Bunlardan bazıları;
Padmarajaiah ve Ramaswamy [41] % 0, 0.5, 1 ve 1.5 oranlarında
kullandıkları kancalı çelik liflerin kirişin tüm derinliği boyunca veya çekme
bölgesine kısmen eklenmesinin öngerilmeli kirişlerin eğilme davranışına etkisini 3
boyutlu lineer olmayan sonlu eleman yöntemi olan ANSYS 5.5 ile incelemişler ve
elde ettikleri sonuçları şu şekilde belirtmişlerdir:
Yüksek dayanımlı betonlara çelik lif eklenmesi hem ilk çatlak dayanımında
hem de maksimum dayanımda artışa neden olmuştur. Yük-sehim eğrisinin
maksimum yükten sonraki kısmı lif ilavesiyle değişmiştir. Bu eğrinin artış gösteren
kısmı çok az değişikliğe uğramış, azalan kısmı ise daha az dik iniş göstermiştir. Bu
da bize malzemenin tokluğunun arttığını ve daha sünek bir davranış gösterdiğini
belirtir. Lif ilavesi eğilme kapasitesini artırmıştır. Lifler yüklemenin her safhasında;
ilk çatlaktan kırılmaya kadar sehime karşı gösterilen dirençte etkili olmuştur. Liflere
bağlı olarak eğilme dayanımında oluşan artışlar; % 0.5, 1 ve 1.5 oranında tüm
derinlik boyunca lif içeren kirişler için sırasıyla % 8, 16 ve 21 olmuştur.
Öngerilmeli kirişlerin sadece çekme bölgesine kısmi olarak lif ilavesi istenen
performans artışlarının ekonomik bir şekilde karşılanmasını sağlayabilir. Tüm kesit
boyunca lif ilavesi büyük şekildeğiştirme oranlarına sahip veya yorulmaya maruz
yapılarda kullanılabilir. Bununla birlikte kesitin yarıdan fazlasına lif ilavesi kayma
açıklığında maksimum yükte ve deformasyon özeliklerinde yalın betona göre çok
fazla bir artış sağlamaz.
37
Chunxiang ve Patnaikuni [42], yaptıkları çalışmada yüksek dayanımlı
öngerilmeli kirişler ve % 1 oranında paletli 3 farklı tipte çelik lif ilave edilmiş yüksek
dayanımlı öngerilmeli kirişler üreterek çelik liflerin bu kirişlerin eğilme dayanımına
etkisini araştırmışlardır. Sonuçlar şu şekildedir:
Çelik lif ilavesi öngerilmeli yüksek dayanımlı betonların eğilme rijitliğini
akmadan önce artırmıştır. Yük-merkezi şekil değiştirme oranı çelik lif tipine göre %
21.6, 30 ve 5.8 oranlarında artmıştır.
Çelik lifler kirişlerin kırılma anındaki şekildeğiştirmesini artırır. Gerilme
şekildeğiştirme eğrisinin azalan kısmında maksimum yükün % 80‟ine karşılık gelen
şekildeğiştirme değeri yaklaşık olarak % 12.2, 35.1 ve 12.2 oranlarında artmıştır. %
80‟den sonra ise çelik lif kullanılmayan beton kirişlerin yük-sehim eğrilerinde
şekildeğiştirmenin artmasıyla hızlı bir düşüş görülmektedir. Bu da çelik liflerin
katılmasının malzemeyi daha sünek hale getirdiğini göstermektedir.
Kısa lifler eğilme rijitliğini artırmada daha etkilidir.
Çelik lifler çatlakların sayısını ve boyutunu azaltmaktadır.
2.4.1.3.Çekme Etkisinde DavranıĢ
Bilindiği gibi betonların çekme dayanımını belirlemek için direkt çekme ve
yarmada çekme olmak üzere iki farklı çekme deneyi kullanılmaktadır. Direkt çekme
malzemelere eksenleri doğrultusunda çekme uygulanarak yapılır, fakat bu test kaba
agrega içeren betonlar için pratikte pek uygulanmaz. Onun yerine yarmada çekme
deneyi silindir numuneler bazen de küp numuneler üzerinde uygulanır.
Lif miktarı % 2‟den az ise yarmada çekme dayanımı çoğunlukla pek
değişmez. Fakat beton karışımında silis dumanı da kullanılmış ise liflerin matris ile
bağı daha kuvvetli olacağından liflerin kopması lif sıyrılmasına göre daha fazla
gerçekleşir ve daha yüksek yarmada çekme dayanımları elde edilir [13, s.:154].
Li ve arkadaşları [43] yaptıkları çalışmada gelişigüzel dağılmış kısa
kesilmiş liflerle takviyeli kompozitleri tek eksenli çekme gerilmesi altında 3 farklı lif
tipi ve % 2 ila % 6 arasında değişen lif yüzdeleri için incelemişlerdir. Test
sonuçlarına göre yüksek lif yüzdesinin, çekme dayanımını özellikle çelik lif
kullanılan lif takviyeli kompozitlerde artırdığını gözlemlemişlerdir.
38
Pierre ve arkadaşları [44] ise çelik mikroliflerle % 0 % 2.5 ve % 5
oranlarında takviye edilmiş yüksek performanslı harç ve hamurların mekanik
özeliklerini araştırdıkları çalışmada, % 2.5 mikrolif katılarak üretilen çimento
hamurunun çekme dayanımının lif içermeyen hamura göre yaklaşık % 50 oranında
arttığını gözlemlemişlerdir. Bununla birlikte lif oranının % 5 „e çıkması ile gene artış
olmakla birlikte bu artış % 2.5 mikrolif katılan numunelerde gözlenen artışın çok az
üstünde olarak yaklaşık % 60 seviyesine gelebilmiştir.
Taylor ve arkadaşları [45] normal ve yüksek dayanımlı beton karışımlarının
çelik lifli veya lifsiz olarak tokluk ve dayanımlarını ölçmeyi amaçlamıştır. Bu
çalışmada; “Yüksek dayanımlı beton karışımlarına çelik lif eklemek, normal
dayanımlı beton karışımlara çelik lif eklemek ile benzer etkiyi yapmaktadır. Katılan
lif miktarı artırıldıkça basınç dayanımı marjinal bir şekilde artmıştır, en büyük artış
da BS 120 betonunda olmuştur. Lif oranının artırılması ile çekme gerilmesinde de bir
artış olmuştur ama bu artış kullanılan deney türüne göre değişkenlik göstermiştir.
Çekme gerilmesinde artış olduğu sonucu silindir yarmada çekme deneyine
dayandırılarak verilmiştir, ancak aynı artış diğer iki farklı geometriye sahip
deneylerde gözlenememiştir. Bu deneylerde kırılma, numunenin gövdesinden çok
yüzeyinden başlamıştır. Bu durum, muhtemelen lif yoğunluğunun yüzeyde
merkezden daha az olmasından kaynaklanmaktadır, ancak kesin sonuca varmadan
önce başka çalışmalar yapmak gerekmektedir.” şeklinde elde ettikleri sonuçları
belirtmişlerdir.
2.4.1.4.Darbe Etkisinde DavranıĢ
Darbe dayanımı betonun ani olarak uygulanan bir kuvvete karşı gösterdiği
dirençtir. Yapı mühendisliğinin pek çok uygulamasında betonun darbe yüklerine ve
tekrarlı yüklere karşı yeterli dayanıma sahip olması istenir. Çelik lifler, betonun
darbe dayanımını da önemli ölçüde artırırlar.
Betonun darbe etkisi altındaki davranışını test etmek için bir çok yöntem
geliştirilmiştir. Bunlardan en çok kullanılanları; düşen ağırlıklı makineler, sallanmalı
sarkaç makineleri ve Hopkinson basınçlı yarma düzeneğidir. Önceki literatür
çalışmalarının sonuçlarında dikkate değer bir farklılık vardır. Bu da deney
sonuçlarının kullanılan makinenin tipine bağlı olmasından kaynaklanmaktadır [46].
39
Suaris ve Shah [47], darbe testlerinde kullanılan gerek patlayıcı gerekse
düşen ağırlıklı deney düzenekleri içinden herhangi birinin standart olarak kabul
edilemeyeceğini belirtmişlerdir. Söz konusu deney düzeneklerinde, değişik numune
boyutu ve geometrilerinde yapılan deneylerde elde edilen sonuçların ancak kendi
içinde kıyaslanabileceğini, dizayn amacıyla malzeme özeliklerini belirlemede
kullanılamayacağını vurgulamışlardır. Bu konuda yaptıkları deneysel içerikli
çalışmalarında, düşen ağırlıklı darbe deney düzeneklerinde, darbe kafasında ölçülen
yük ile kirişin karşı koyduğu yükün numune içi etkiler nedeniyle aynı olmadığını
söylemişlerdir. Ayrıca deney düzeneğinde kullanılan numunede meydana gelecek iç
osilasyonların kauçuk bir ped kullanmak suretiyle indirgenebileceğini de
belirtmişlerdir. Lifli betonlarla yaptıkları deneylerde, çelik lifli numunelerin lifsiz
numunelere nazaran 20-100 kat daha fazla darbe dayanımı gösterdiğini, lif ile matris
arasındaki kenetlenmenin şekil değiştirme derecesinden hemen hemen bağımsız
olduğunu ifade etmişlerdir.
Marar ve arkadaşları [48], yüksek dayanımlı lifli kompozit betonların
(YDLB) darbeye karşı dayanımını ölçmek için bir düşen ağırlıklı darbeli test aleti
geliştirmişlerdir. 3 farklı narinlikte (boy/çap: 30/0.5, 60/0.8, 50/0.60, mm/mm) ve 4
değişik hacim yüzdesine (% 0.5-1.0-1.5-2.0 ) sahip kancalı çelik liflerle
güçlendirilmiş silindir beton numuneler üzerinde darbe ve basınç deneyleri
yapmışlardır. Deney sonuçlarına göre çelik lif oranının artırılması darbeye karşı
direncin artmasını sağlamaktadır. Çelik lif oranı % 2.0 ve lif narinlik oranı 83 olan
yüksek dayanımlı lifli betonun (YDLB) lifsiz betona göre darbeye karşı direncinin 74
kat arttığı gözlenmiştir. Tokluk da (gerilme-şekil değiştirme eğrisi altındaki alan)
çelik liflerin katılmasıyla lifsiz betona oranla önemli bir artış göstermiştir. 60, 75 ve
83 çelik lif narinliğine sahip YDLB‟ların tokluk enerjisi ile darbe enerjisi arasında
logaritmik bir ilişki bulunmuştur. Darbeli test aletinden elde edilen sonuçlara göre
YDLB‟ların tokluk enerjisinin bulunabileceğini ve bu durumun tasarım ve inşa
aşamalarında, basınç enerjisi absorbe edilmesinin özellikle önemli olduğu
bölgelerde, mühendislere kolaylık sağlayabileceğini belirtmişlerdir.
Yan ve arkadaşları [49], silis dumanı ve çelik liflerin yüksek dayanımlı
betonların mekanik özeliklerine etkisini araştırdıkları çalışmada silis dumanı ve çelik
liflerin YDB‟larda darbe etkisi altında ve yorulma sırasında oluşan hasarları farklı
şekillerde olsa da birbirlerini tamamlayıcı şekilde engellediklerini belirtmişler, çelik
40
lif ve silis dumanını ayrı ayrı kattıkları çalışmalarında darbe, yorulma ve tekrarlı
dinamik yükler altında YDB‟ların performansının arttığını, bu ikisinin birden matrise
katılması durumunda ise performansın daha da arttığını, böylece matrise silis dumanı
ve çelik liflerin beraber katılmasının tek tek katılmalarına göre daha fazla performans
artışı sağladığını belirtmişlerdir.
Çelik liflerin darbe etkisi altındaki davranışını araştıran, fakat kullanılan test
aletleri farklı yapıda olduğu için farklı, fakat çelik liflerin darbe dayanımına karşı
olumlu etkiler yaptığını belirten daha başka bazı çalışmalar literatürde mevcuttur
[50-53].
2.4.1.5.Yorulma Dayanımı
Lifler yorulmaya karşı dayanımı da yeteri kadar artırırlar. LTK‟ler ömrü
boyunca milyonlarca yüklemeye maruz kalan yol ve köprülerde artan bir şekilde
kullanılmaktadır. Yorulma yüklemesi basınç, çekme (eksenel ve eğilme) ve kayma
olmak üzere her üç modda da yapılabilir. [13, s.;179] Deneysel çalışmalar, betonun
yorulma dayanımında lif takviyesinin iki önemli etkisi olduğunu göstermiştir. İlk
olarak lifler mikro çatlaklar arasında köprü kurarak onların gecikmesini sağlarlar ve
dayanımı artırırlar. İkinci olarak da lifler ilk mikro çatlak yoğunluğunu artırarak
dayanımın düşmesine neden olurlar Bu ikisinin etkisi sonucu lif takviyeli
kompozitlerin yorulma dayanımı düşebilir veya artabilir. Karıştırma sırasında liflerin
matris içerisinde iyi dağılmasına dikkat edilmelidir [54].
Çelik lif takviyeli betonlarda çatlak yayılmasının durdurulması ve oluşan
çatlakların ilerlememesi gibi özelikler nedeniyle tekrarlı yükler altında kırılma
engellenir veya geciktirilir. Normal betonlarda yorulma dayanımı limiti genel olarak
statik eğilme gerilmelerinin % 50‟si kadardır. Bu limit beton karışımına metreküp
başına 30-40 kg çelik lif atılması ile % 80‟lere çıkarılmıştır. Yorulma dayanımındaki
bu artış, özellikle tekrarlı dinamik yükler altındaki havaalanı, karayolu gibi beton
uygulamalarında çok önemli performans artışı sağlar [12, s.:16].
Wei ve arkadaşları [54], yüksek performanslı betonlara, eklenen çelik lif
yüzdesinin, silis dumanı miktarının ve bu ikisinin birden eklenmesinin kompozitin
yorulma dayanımına etkisini araştırdıkları çalışmada çelik lif yüzdelerini % 0.7, 1.0,
1.2 ve 1.5, silis dumanı miktarını ise % 0 ila % 20 seçmişlerdir. Ulaştıkları sonuçlar
ise:
41
Çelik lifli betonlar, çatlak başlangıcına ve yayılmasına karşı mükemmel bir
direnç göstermektedir. Böylece yorulma dayanımı da büyük oranda artmaktadır.
Yorulma ömrü ve hasar süreci, Ca(OH)2 ile yakından ilgilidir. Eğer Vf.lf/df oranı
yüzde 1 ila 1.4 arasında değişir ve yorulma yüklemesi N 106‟ya eşit olursa yorulma
dayanımı % 335 artırılabilir ve yorulma hasar derecesi Vf.lf/df‟nin artması ile
düşürülebilir.
Çelik lifsiz ve silis dumansız betonlarla karşılaştırılırsa yüksek dayanımlı
betonların yorulma dayanımı ve yorulma ömrü, çelik lif, silis dumanı veya bu
ikisinin birden katılmasıyla etkili bir şekilde artırılabilir. Yorulma dayanımı eğer
diğer şartlar değişmiyorsa sırasıyla; % 34, 127 ve 182 kadar artar. Artış oranının hem
çelik lif hem de silis dumanı eklenen uygulamalarda ne kadar fazla olduğu dikkat
çekicidir.
Yüksek dayanımlı betonlarda yorulma dayanımını artırmanın anahtarı çatlakları
kontrol altına almaktır. Çatlak kontrolünün sağlanması iki şekilde mümkündür.
1)orijinal çatlak kaynaklarının miktarını ve sayısını düşürmek 2)çatlakların
başlamasını ve büyümesini kontrol altına almak. Silis dumanı ve çelik lif eklenmesi
agrega hamur arayüzeyini etkili bir şekilde güçlendirir, burdaki zayıflığın ortadan
kalkması ile yorulma direnci büyük oranda artırılmış olur.
Cachim ve arkadaşları [55], 30 (narinlik oranı 60) ve 60 (narinlik oranı 75)
mm. uzunluğunda 1100 MPa çekme dayanımına sahip 2 farklı kancalı çelik liflerle
yaptıkları çalışmada çelik lif takviyeli betonların basınç yüklemesi altındaki
yorulmasını araştırmışlar ve ikincil sünme oranı ile kırılmaya neden olan yükleme
sayısı arasındaki uyuma dikkat çekmişlerdir.
2.4.1.6.Rötre ve Sünme
Sünme ve rötre, çimento esaslı kompozitlerin uzun dönem performansı
açısından önemli özeliklerdir. Genelde liflerin varlığı, rötreyi azaltırken, bunların
sünme üzerindeki etkisi henüz kesin olarak anlaşılabilmiş değildir. Bunlar üzerindeki
araştırmaların çoğunda lif miktarı çoğunlukla % 2‟nin altında seçilmiştir.
Çelik liflerin sünme değerini % 1‟den fazla lif katılan uygulamalarda
artırması beklenebilir. Eğer lif miktarı % 1‟in altında ise sünme çok az artar.
Toparlanma gibi diğer karakteristik özeliklerin ise değişmediği kabul edilir.
42
Genelde liflerin eklenmesi, çelik lif takviyeli betonların rötresinin azalmasına
neden olur. Çelik lifli betonlarda, normalde rötreyi etkileyen tipik özelikler olan;
karışım özelikleri, kür uzunluğu, ve kür tipini içeren kür koşulları, boyut etkisi ve
ölçmenin yapıldığı zamanki betonun yaşından başka liflerin miktarı ve narinliği de
rötreyi etkiler.
ÇLT‟li betonların rötresi için kısaca aşağıdaki açıklamalar yapılabilir.
Lif eklenmesi rötre değerini azaltır. Lif miktarındaki artışla rötrede sürekli bir
düşüş gözlenebilir.
Lifler tarafından sağlanan rötre değerindeki azalma en çok çimento hamurunda
ve düşük çimento içeren karışımlarda görülür.
Lif tipine bağlı değişiklikler önemsizdir.
Kuruma rötresinin ileri safhalarında lif katkısının önemi daha çok ortaya
çıkmaktadır.
Yaş, boyut ve kür koşulları yalın beton ve çelik lifli betonlar üzerinde benzer
etkilere sahiptir [13, s.:215-232].
2.4.1.7.Çelik Lif Takviyeli Betonun Kullanım Alanları
Genellikle yapı uygulamalarında çelik lifin betona eklenmesi, sadece
kırılmayı önlemek için değil, aynı zamanda dinamik yükleme veya çarpma
mukavemetini artırmak, malzemenin dökülme, parçalanma ve dağılmasını önlemek
içinde uygulanmaktadır.
Kirişlerde, kolonlarda ve kat döşemelerinde olduğu gibi diğer yapı
elemanlarında da eğilme veya çekme kuvvetleri meydana gelir. Bu basınç, eğilme ve
çekme kuvvetlerinin birlikte oluşturduğu gerilmeler nedeniyle oluşan kesit tesirlerine
karşı yapı elemanın dayanımı asal çelik donatı ile birlikte çelik lifler eklenerek
önemli oranda artırılabilir.
Çelik lifli betonların düktilitesi normal betona göre oldukça yüksektir. Bu
yüzden çarpma etkisine, titreşimli yük etkisine ve dinamik yük etkisine karşı normal
betona göre daha dayanıklıdır. Deprem oluşma olasılığı yüksek olan bölgelerde,
konutlar da dahil her türlü yapıda kullanılabilir.
Aşağıda çelik lifli betonun yapısal ve yapısal olmayan kullanımlarından bazı
örnekler verilmiştir.
43
-Endüstri yapılarında: Çarpma rijitliği ve termal etkilere karşı dayanım için
-Hidrolik yapılarında: Barajlar, kanallar, dinlendirme havuzları ve dolu savaklarda
plak yerine veya kavitasyon hasarlarına karşı koymak için kaplama olarak
-Havaalanı ve karayollarının yol kaplamasında: Özellikle, normal plaklardan
daha ince plak yapılması istendiği durumlarda
-Püskürtme betonu ile yapılan kaplamalarda: Tünellerde ve maden ocaklarında
zeminin desteklenmesi için genellikle kaya ankraj bulonları ile birlikte
kullanılmaktadır. Bu şekilde kullanımın klasik kullanıma göre avantajı kullanılan
toplam beton miktarından tasarruf sağlanmasıdır. Ayrıca hasır çelik ve üst kaplama
yapılmamaktadır. İlave olarak da işlem miktarı azaldığından yapım süresi daha da
kısalmaktadır.
-ġev stabilitesinin sağlanmasında: Karayollarını ve demiryollarını kesen, yer
üstündeki kaya veya topraktan oluşan dik şevlerin veya toprak setlerin stabilitesinin
sağlanmasında
-Ġnce kabuk yapılarında: Lifli betonun üstün nitelikleri kesit kalınlıklarının
azaltılmasına olanak sağladığından, ince kabuk yapılarda, kubbelerde, katlanmış
plaklarda ve çeşitli mimari nedenlerle ince olması gereken yapı elemanlarında
-Patlamaya(infilak etkisine) karĢı dayanıklı olması gereken yapılarda:
Genellikle normal donatı çubukları ile birlikte kullanıldığında, güç santralleri ve
askeri tesislerin yapımında çok uygun bir kullanım arz etmektedir. Özellikle çok
önemli askeri tesislerin yapımında bu özeliği nedeniyle kullanımı tercih
edilmektedir. Uzun yıllardan beri Amerikan askeri tesis yapım şartnamelerinde yer
almakta ve yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
-Depreme dayanıklı yapılarda: Deprem bölgelerinde, depreme dayanıklı yapı
üretiminde [47].
2.4.2. Polimer Lif Takviyeli Betonların Özelikleri
Polimer liflerden betona katılan ve en iyi sonuç veren lifler polipropilen
liflerdir. Tıpkı çelik lifler gibi polipropilen lifler de betonun bazı özeliklerini
artırabilirler. Polipropilen liflerden başka Polietilen ve Naylon 6 da beton
karışımlarına katılan diğer polimerik lif çeşitleridir. Fakat, şimdiye kadar yapılmış
çoğu araştırmalarda polipropilen lifler kullanılmış ve sonuçları belirtilmiştir.
44
Yüksek performanslı betonların önemli bir özeliği süperakışkanlaştırıcı
kullanarak su/bağlayıcı oranının çok aşağılara düşürülmesidir. Su içeriğinin azalması
nedeniyle bu betonlarda terleme çok az olur. İlave bağlayıcı olarak silis dumanı da
kullanılmış ise silis dumanı tanelerinin büyük yüzey alanından dolayı serbest suyun
önemli bir bölümü bağlanır ve terleme neredeyse hiç görülmez. Beton plastik rötre
çatlaklarına karşı çok hassas bir hale gelir. İşte bu nedenle, yüksek performanslı
betonlara çok az miktarda polimer esaslı lifler katılarak plastik rötre önlenirken
mekanik özeliklere fazla bir etki yapılmamış olur. Düşük fiyatından ötürü de bu
liflerin kullanımı yabancı ülkelerde hızla artmaktadır. Kurtz ve Balaguru [56]
Amerika B. D.‟lerinde 1997 yılında tüketilen hazır betonların % 10‟nun polipropilen
lif içeren betonlar olduğunu belirtmişlerdir.
Betona polimerik esaslı liflerin katılmasının bir diğer faydası da; yüksek
sıcaklıklarda beton içinde genleşen su buharının dışarı kaçması sonucu betonun
yangında daha az hasar görmesinin sağlanmasıdır. Yüksek performanslı betonlarda
boşlukların çok küçük, az ve ilişkisiz olması su buharının kaçışını önler, sonuçta
betonun dış kabuğu patlar, dökülür. Önlem olarak betona polipropilen lif katılması
önerilir. Sıcaklıkta eriyen bu lifler gerekli boşlukları ve kanalcıkları oluşturarak su
buharının dışa kaçmasını sağlarlar [57].
Yüksek performanslı betonların yangına karşı dayanıksız olması, özellikle
İngiltere ve Fransa arasında bulunan Manş tünelinde 1996 yılında çıkan yangından
sonra önem kazanmıştır. Silis dumanı içermeyen klasik karışım yöntemleriyle 80 ila
100 MPa arasında basınç dayanımına sahip beton kullanılarak yapılan bu tünelde
yangın sırasında Şekil 2.12‟de görüldüğü gibi beton yüzeyinde dökülmeler
oluşmuştur [58].
45
Şekil 2.12: Manş Tünelinde 1996 yılındaki yangın sırasında beton yüzeyinde görülen
dökülmeler [58].
2.4.2.1. Polimer Lif Takviyeli Betonların Teknik Özelikleri
Polipropilen, Naylon 6 ve polyester lifleri çok yaygın olarak kullanılan bazı
polimer liflerdir. Plastik rötreyi azaltırlar. Lif hacim oranları % 0.1 - % 0.05 olarak
kullanılırlar. Polimer lifli betonların işlenebilmesi, liflerin tipine, uzunluklarına,
içeriklerine ve betonun mukavemetine bağlıdır.
Naylon 6 ve polyester lifleri tekil halde bulunur. Polipropilen lifler hem lif
hamuru hem de tekil halde bulunurlar. Lif tipleri arasında çok az fark vardır. Naylon
6‟nın çapı azdır ve çok miktarda kullanılır. Normal betonun ve % 0.1-0.2-0.3 hacimli
lif takviyeli betonların çökme değerleri yapılan bir deneyde; 210, 152, 178, 146 mm.
olarak elde edilmiştir. Bir grup araştırmacı tarafından yapılan araştırmada çimento
miktarı ve su/çimento oranı sabit tutulmuş, tüm hacimler için liflerin etkileri çökme
konisi testlerinde görülmüştür. Bir başka grup araştırmacı tarafından yapılan
çalışmada da, yüksek su azaltıcı katkılar kullanılmış, normal ve lifli betonların
işlenebilme değerlerinin farklılıkları görülmüştür. Bu sonuçlara göre işlenebilirlik
katkıların miktarları ile kontrol edilebilir. Hem normal hem de lifli betonlarda yüksek
hava miktarı yüksek çökmeye neden olur [8].
Polipropilen Lifli Betonların Teknik Özelikleri
Beton veya sıvada polipropilen (PP) lifin en önemli etkisi, dökümden sonraki
ilk birkaç saat içinde plastik büzülmeler nedeniyle oluşacak çatlakları kontrol altına
almasıdır. Sertleşme prizlenmenin ilk safhasında beton mukavemetinin oluşma hızı,
46
büzülmeler nedeniyle oluşan iç çekme gerilmelerinin oluşum hızından daha yavaştır.
Bu plastik büzülme esas itibariyle su ve çimento arasında başlayan kimyasal
reaksiyon ve suyun buharlaşmasının doğal bir sonucudur. PP lifler, büzülme
gerilmelerine karşı bir direnç meydana getirir ve büzülmelerden dolayı oluşacak
çatlak tehlikesini en az düzeye indirger [8]. Ayrıca;
Beton içinde homojen olarak dağılırlar,
Kg başına yüzey alanları çok geniştir, betona çok iyi şekilde yapışır,
E-modülü değeri plastik haldeki betona oranla oldukça yüksektir.
PP lifler sertleşmiş betonda mukavemet artırıcı bir donatı etkisi yaratmazlar.
Etkileri betonun plastik safhasında geçerlidir ve bir tür katkı malzemesi görevi
görürler [8].
2.4.2.2. Polimer Lif Takviyeli Betonların Mekanik Özelikleri
Polimer lifler, çelik liflere göre betonun mekanik özeliklerini artırmada çok
fazla etkili olamazlar, hatta belli bir değerden fazla kullanılan uygulamalarda
olumsuz etki yapmaktadırlar. Bununla birlikte, az da olsa betona enerji yutma özeliği
kazandırırlar ve özellikle de plastik rötrede çok etkili olurlar.
Genelde kompozitlere katılan polimerik lif miktarı % 0.1‟dir. Bazı
durumlarda çok az daha fazla katıldığı da olur. Bu kadar düşük yüzdelerde
kullanıldığından sertleşmiş beton özeliklerini ve elastisite modülünü çok
etkilemezler. Hatta % 0.05 oranında polimerik lif kullanılan uygulamalarda elastisite
modülündeki değişim ihmal edilir.
% 0.1 oranında polimerik lif katılması basınç dayanımını ve sünekliği
etkilemez. % 0.2‟den daha düşük oranda polimerik lif katılmasının yarmada çekme
dayanımına etki etmediği varsayılır. Eğer % 0.5‟den daha fazla kullanılırsa tutulan
havadan dolayı biraz dayanım azalması beklenebilir. Ayrıca polimerik lifler tokluğu
artırmada da çelik lifler kadar etkili değillerdir.
% 0.5 oranında tekil polipropilen lif içeren bir kirişin tipik yük-sehim eğrisi
Şekil 2.13‟de görülmektedir. Bu şekilden, ilk çatlaktan sonra yük kapasitesinin
dikkate değer bir şekilde düştüğü görülmektedir. Hem katılan hacimce lif miktarının
düşük olması hem de liflerin elastisite modülünün düşük olması bu davranışta
47
etkendir. Böyle bir düşüş hacimsel lif yüzdesinin % 0.1 olduğu durumlarda bile
gözlenebilir [13, s.:152-162].
Şekil 2.13: Polimer lif takviyeli kompozitler için tipik yük-sehim eğrisi [13].
Toutanji yaptığı çalışmada [59] % 5 ve % 10 silis dumanı ile % 0.1- 0.3- 0.5
oranlarında polipropilen lif kullanmış ve ürettiği kompozitlerin, taze beton
özeliklerini, klor geçirimliliğini, basınç ve eğilme dayanımları ile bağ karakterlerini
incelemiştir. Sonuç olarak;
Silis dumanının işlenebilirliğe ters etki yaptığını, silis dumanı eklenmesinin
eğilme dayanımına önemli miktarda etkidiğini, PP lif miktarının artmasıyla da silis
dumanı içeren kompozitin eğilme dayanımının arttığını,
PP lif eklenmesinin klor geçirimliliğine ters etki yaptığı, bununla birlikte silis
dumanı eklenmesinin geçirimliliği düşürdüğünü,
% 5 silis dumanı ve % 0.3 polipropilen lif içeren karışımın işenebilirliği çok
düşürmeden geçirimliliğin azalmasını sağlayan optimum çözüm olduğunu
belirtmiştir.
Yük (
kN
)
Sehim (mm.)
Lifler hacimce % 0.5‟dir (4.8 kg/m3).
18
9
0.00 0.64 1.28 1.92 2.56 3.20 0
48
2.4.3. Çelik Liflerle Polimer Liflerin Farkları
Polipropilen liflerin fonksiyonu taze beton ile sınırlı iken, çelik liflerin
mukavemet artırıcı etkisi beton prizini alıp sertleştikten sonra da belirgin şekilde
devam eder. Betonun plastik safhasında çelik liflerin çatlak önleyici ve sınırlayıcı
etkisi de mevcuttur. Ancak, betonda mükemmel şekilde dağılmış olan PP liflerin
etkisine göre zayıftır. Bununla birlikte sertleşmiş betonda uzun dönemde kuruma
büzülmelerinden dolayı oluşacak çatlakların azaltılmasında çelik lifler malzemeye
belirli bir dayanıklılık ve tokluk vererek betonun mukavemetini önemli ölçüde
artırırlar [8].
Çelik lifler PP liflere göre daha uzundurlar ve elastisite modülleri de daha
büyüktür. Bu çelik liflerin çatlakları kontrol etme yeteneklerinin daha fazla olmasını
sağlar. Fakat, özgül ağırlığı çok fazladır ve elektrik ve manyetik alanlarda iletkendir.
Bu sebeplerden dolayı çelik liflerin oranının tünellerde ve hızlı tren sistemleri için
kullanılan sürekli döşemelerde kabul edilebilir bir seviyeye çekilmesi gerekir. Çünkü
haberleşme sistemini etkileyebilirler [7].
2.5.Karma Lif Takviyeli Betonlar
Beton çoklufaz yapısında kompleks bir malzemedir. Bu fazlar; büyük
miktarlarda C-S-H jeli içeren mikron ölçeğinde faz, milimetre ölçeğinde kumlar ve
santimetre ölçeğinde iri agregalardır. Eğer beton tek çeşit lifle takviye edilirse sadece
bir seviyedeki özelikleri artırılabilir, bütün seviyelerdeki özelikleri artırılamaz.
Geçmiş çalışmalar çimento matrisinin farklı liflerle takviye edilmesiyle oluşan karma
lif takviyeli kompozitin bir çok çekici özeliği olduğunu bize göstermiştir [60].
Mekanik ve iletkenlik özeliklerinin kombinasyonu farklı çeşit, tip ve boyutta
liflerle elde edilebilir. Örneğin Qian ve Stroeven‟in belirttiğine göre PP ve çelik lifler
kullanarak üretilen karma lifli sistemlerde kullanılan lifler farklı görevleri yerine
getirerek aşağıdaki avantajları sağlayabilirler:
Dayanımı ve elastisite modülü yüksek lif, ilk çatlak gerilmesini ve maksimum
yükü artırırken, daha esnek ve sünek olan ikinci lif tokluğu ve maksimum yükten
sonraki şekildeğiştirme kapasitesini artırır.
49
Kısa lifler mikroçatlaklar arasında köprü kurarak bunların büyümesini
engellerler. Bu kompozitin çekme dayanımını artırır. Büyük lifler ise makroçatlakları
engelleyerek kompozitin tokluğunu artırırlar.
Kullanılan liflerin dayanıklılığı farklı olabilir. Daha dayanıklı olan dayanımı ve
tokluğu zamanla artırırken diğer lif kompozit elemanların taşınması ve yerleştirilmesi
sırasında olabilecek zararlara karşı kısa dönemlik performansının iyi olmasını
sağlayabilir [7].
Banthia [61] ise karma lifli kompozitleri iki kategoriye ayırmıştır. Birincisi;
farklı boyutlardaki liflerle üretilen kompozitlerdir. Büyük makrolifler çatlak açılımı
sırasında tokluğu artırırken, ince mikrolifler harç fazını güçlendirir ve kompozitin
çatlamadan önce veya hemen sonraki davranışına karşı iyileştirme sağlar.
Mikroliflerin ayrıca makroliflerin sıyrılmasını engelleyici bir davranış sergilemesi
beklenebilir. Böylece yüksek dayanıma ve tokluğa sahip kompozitler üretilebilir.
İkincisi ise; benzer boyutlarda fakat farklı elastisite modüllerine sahip liflerle
üretilen kompozitlerdir. Örneğin yüksek elastisite modülüne sahip çelik veya karbon
lifler ile düşük elastisite modülüne sahip PP lifler bu şekildedir. Yüksek elastisite
modüllü lifler eğer düzgün olarak bağ yapmışlarsa küçük ve orta büyüklükteki
çatlakların açılımında takviye kapasitesini artırabilirler. PP gibi düşük elastisite
modüllü lifler ise takviye kapasitesini sadece büyük çatlakların açılımı sırasında
artırabilirler. Bu yüzden bunların kombinasyonunda yüksek tokluğa sahip
kompozitlerin üretilmesi beklenebilir. Bu kompozitler hakkındaki bilgiler henüz
yetersiz seviyelerdedir.
2.5.1.Karma Lif Takviyeli Betonlarla Ġlgili AraĢtırmalar
Qian ve Stroeven‟in [7] polipropilen lif ve 3 tip çelik lif içeren betonlar ile
ilgili çalışmalarında, toplam lif oranı beton hacminin % 0‟ı ila % 0.95„i arasında
değişmektedir ve kullanılan lifler:
SF1:kancalı, 40 mm. uzunluğunda ve 0,3 mm. çapında
SF2:kancalı, 30 mm. uzunluğunda ve 0,3 mm. çapında
SF3:düz, 6 mm. uzunluğunda ve 0,1 mm. çapında
PP:tekil lifli, 12 mm. uzunluğunda ve 0,018 mm. çapındadır.
50
Bu çalışma, çapı büyük (narinliği düşük) çelik lifler ve ince polipropilen lifler
arasında, küçük şekil değiştirmeler sırasında yük taşıma kapasitesi ve kırılma tokluğu
bakımından olumlu bir etkileşimin olduğunu göstermiştir. Fakat bu olumlu etki
şekildeğiştirme arttıkça kaybolmaktadır. Çapı büyük ve elastisite modülü yüksek
çelik liflerin, yumuşak polipropilen lifler ve kısa çelik liflerden büyük şekil
değiştirme bölgelerinde enerji yutma kapasitesi bakımından daha iyi olduğunu
belirtmişlerdir. Qian ve Stroeven yaptıkları çalışmada elde ettikleri diğer sonuçları da
şu şekilde belirtmişlerdir:
Çapı büyük çelik lifler (SF1) ve polipropilen lifler küçük şekildeğiştirmeler
sırasında karma lifli betonun yük taşıma kapasitesini dikkate değer bir şekilde
artırmışlardır. Düz ufak çelik lifler de (SF3) bu iş için bir miktar çaba harcamışlardır.
SF1 çelik lifleri büyük şekildeğiştirmeler sırasında enerji yutma kapasitesi
bakımından en etkili lif tipidir. Bu noktada SF3 lifinin etkisi polipropilen life göre
daha fazladır.
SF1 ve polipropilen lifler arasında, küçük şekildeğiştirmeler sırasında yük
taşıma kapasitesi ve kırılma tokluğu bakımından olumlu bir etkileşim vardır. Fakat
bu olumlu etki şekildeğiştirme arttıkça kaybolmaktadır.
Küçük şekildeğiştirmeler sırasında polipropilen lifin etkisi, toplam lif
miktarının artmasıyla, polipropilen lifin yayılmasından dolayı, düşmektedir.
3 tip çelik lif arasında SF1 en iyisidir, çünkü SF3‟e göre kancalıdır ve SF2‟ye
göre de daha yüksek narinlik oranına sahiptir.
Mobasher ve Yu Li [62], yaptıkları çalışmada çimentolu bileşiklerin gerilme
ve eğilme özeliklerinin polipropilen liflere ek olarak, karbon ve alüminyum liflerle
güçlendirilmesi konusunu incelemiştir. Kısa karbon ve alüminyum liflerin
eklenmesiyle çok önemli dayanım artımları olduğu gözlenmiştir. Büyük çatlakları
köprüleme konusundaki yetersizliklerinden dolayı, alüminyum liflerin katılması,
maksimum dayanımı ve marjinal tepe noktasından sonraki tokluğu kısmen
artırabilmiştir. Kırılma tokluğu PP liflerin katılmasıyla, karma bileşikler
(kompozitler) oluşturularak yükseltilebilir. Matristen PP liflerin sıyrılması asıl
takviye mekanizmasıdır ve bu işlem önemli miktarda enerji yutar. Kompozitlerin,
takviye etmede kullanılan liflerin etkileşimi ile daha iyi dayanım ve tokluk
özeliklerine sahip oldukları gösterilmiştir.
51
Banthia ve arkadaşları [63], yaptıkları çalışmada makro ve mikro çelik liflerin
aynı karışımda birlikte kullanımını araştırmışlardır. 3 farklı tip makro lifin
karışımdaki kullanım oranı 40 kg/m 3
olarak sabit tutulmuş, bu kompozitler daha
sonra çelik mikroliflerle hacimce % 1 ve % 2 oranlarında karma lifli kompozit
üretmek üzere takviye edilmiştir. Bunun sonucunda karma lifli kompozitlerin sadece
basınçta güçlü olmadığı aynı zamanda eğilme sırasında daha büyük dayanım ve
enerji yutma yeteneği gösterdikleri görülmüştür.
Kim ve arkadaşları [64], çalışmalarında makro ve mikro lifler içeren karma
lif takviyeli betonlarda termal gerilmelerle çatlak dayanımını artırmaya
çalışmışlardır. Bunun için kullandıkları lifler 6 ve 12 mm.‟lik mikro lifler ve 30
mm.‟lik makro liflerdir. Aynı lif yüzdelerinde karma lifin etkisini açık bir şekilde
göstermişlerdir. Mikro lif takviyeli betonun ilk çatlaklara daha fazla direnç
gösterdiğini ve bu oluşumun mikro çatlakların mikro lifler tarafından önlenmesiyle
açıklanabileceğini belirtmişlerdir. Diğer taraftan, her ne kadar makro lif takviyeli
betonun ilk çatlak dayanımı mikro lif takviyeli betonun ilk çatlak dayanımından biraz
az olsa da maksimum yükten sonraki kırılma tokluğu daha fazladır. Karma lif
takviyeli betonlar içinde ilk çatlak başlamasına karşı direnç ve tokluk mikro ve
makro lif takviyeli betonlara göre dikkate değer bir şekilde artmıştır. Sonuç olarak lif
tipi ve yüzdesinin uygun bir kombinasyonu ile çatlamaya karşı yüksek dirence sahip
yüksek performanslı betonların üretilebileceğini belirtmişlerdir.
Sato ve arkadaşları [65], yaptıkları çalışmada kısa ve/veya uzun çelik liflerle
güçlendirilmiş çimentolu kompozitlerin basit özeliklerini tanımlamak için basınç ve
tek eksenli çekme deneyleri yapmıştır. Kısa lif olarak 6, 13 ve 20 mm uzunluğunda
düz yuvarlak lifler, uzun lif olarak da 30 mm uzunluğunda kancalı yuvarlak lif
kullanılmıştır. Kullanılan kısa liflerin hacimce yüzdeleri % 0 - % 6 arasında, uzun
liflerin hacimce yüzdeleri de % 0 - % 2 arasında değişmiştir. Kullanılan lif oranını
temsil eden boy/çap ve lif hacmi yüzdesi yükseldikçe, basınç ve çekme dayanımları
artmıştır ve uzun lifin kullanılması sadece kısa liflerin kullanılmasına göre daha fazla
süneklik göstermiştir. Uzun lif miktarı, çekme gerilmesi-çatlak açılımı eğrisinde
yumuşama rejiminin şekline büyük ölçüde etkilediği sonuçlarına varmışlardır.
Soroushian ve arkadaşları [66], normal beton ve hacmin % 0.3‟ü kadar
polipropilen ve çelik lif içeren betonların karışık-modda kırılma karakteristiklerini
deneysel olarak incelemiştir. Farklı deney çeşitleri ve çentik yerleri kullanılmıştır.
52
Sonuçlar lineer ve lineer olmayan kırılma mekaniği kavramlarına göre
yorumlanmıştır. Lineer olmayan kırılma parametrelerinin, düşük hacimdeki lif
içeriklerinin betonun karışık-modda kırılma karakteristiklerine pozitif bir etkisi
olduğunu belirtmişlerdir. Normal beton ve hacmin % 0.3‟ü kadar polipropilen ve
çelik lif içeren betonların karışık-modda kırılma deney sonuçlarından elde ettikleri
sonuçlar da şu şekildedir:
Lifler betonun yük-sehim eğrisindeki maksimum yükten sonraki davranışını,
karışık-modda kırılma deneyinde, önemli ölçüde etkilemektedir. Lineer olmayan
kırılma mekaniği prensipleri deney sonuçlarını yorumlamada daha uygundur. Lineer
olmayan kırılma parametreleri (kırılma enerjisi ve tokluk) düşük hacimli lif
yüzdelerinde bile önemli artışlar göstermiştir.
Deneylerin sonuçlarını yorumlamada lineer elastik kırılma mekaniği prensipleri
kullanıldığında ise sadece % 0.3 çelik lif hacimli örnek karışık-modda gerilme
yoğunluğu faktörünün ortalama değerini artırabilmiştir, fakat bu artış istatistiksel
olarak anlamlı değildir.
Deney düzeneği ve çentik yeri, betonun karışık-modda kırılma özeliklerini
interaktif bir şekilde etkiler.
Genel bir sonuç çıkarmak gerekirse, hacmin % 0.3‟ü kadar çelik ve
polipropilen lifler çatlak oluşumu ve ilerlemesini kontrol için etkilidir, özellikle çelik
lifler daha etkilidir. Bu sonuç uygun lif yüzdesi seçmenin betonun dayanımını
artırmada ne kadar önemli olduğuna işaret etmektedir.
Yao ve arkadaşları [60], yaptıkları çalışmada polipropilen (PP) ve karbon,
karbon ve çelik, ve çelik ve PP liflerle ürettikleri karma lifli kompozitin hacimsel lif
yüzdesini % 0.5‟de sabit tutmuşlar ve bunların basınç, yarmada çekme ve eğilme
altındaki davranışlarını karşılaştırmışlardır. Kullanılan karbon ve PP lifler düz, çelik
lifler ise kancalıdır.
Yaklaşık birkaç mikron çapındaki kısa kesilmiş ince karbon lifleri,
mikroçatlaklar kritik büyüklüklerle erişmeden önce bunlar arasında köprü olarak
kullanılabilir. Tokluğu artırmak için de yüksek şekildeğiştirme kapasitesine sahip
lifler gerekmektedir, çelik lifler de matris içindeki makroçatlaklar arasında köprü
kurmak vasıtasıyla bu amaç için kullanılabilirler. Polipropilen lifler ise düşük
elastisite modüllerinden dolayı çatlak açılımını engellemede en etkisiz liflerdir.Sonuç
53
olarak bu çalışmada karbon ve çelik liflerin kullanıldığı karışım dayanım ve tokluğu
artırmada en iyi karışım olmuştur.
Banthia ve Nandakumar [61], yaptıkları çalışmada karma lif takviyeli
çimento esaslı matrislerde çift taraflı konsol kirişleri kullanarak çatlak yayılımını
incelemişlerdir. Lif tipinin ve kombinasyonunun çatlak genişlemesine karşı
dayanıma etkisini ölçmüşlerdir. PP ve çelik liflerden oluşan karma kombinasyonun
hem çatlakların oluşumuna hem de yayılmasına karşı bir direnç gösterdiklerini
belirtmişlerdir ve bu çalışmada kullandıkları kırılma testinin karma lifli kompozitleri
geliştirmede çok kullanışlı olduğunu öne sürmüşlerdir. Ayrıca mikro PP liflerin çok
düşük miktarlarda kullanılmasının bile katılan makro çelik liflerin etkisini büyük
oranlarda artırdığını belirtmişlerdir.
Sun ve arkadaşları [67], karma lifin ve genleşen katkının yüksek performanslı
betonların rötresine ve geçirimliliğine etkisini incelemişlerdir. Kullandıkları lifler 3
farklı tipte çelik, PVA ve PP liflerdir. Sonuç olarak genleşen katkının ve karma
liflerin özellikle de farklı boyut ve tiplerdeki karma liflerin rötre ve geçirimliliğe
karşı dirençte en iyi performansı gösterdiklerini belirtmişlerdir.
Komlos ve arkadaşları [68] ise çelik ve PP lif kullanarak ürettikleri karma
lifli kompozitlerin tekrarlı yükler altında davranışlarını incelemişler ve kırılma ve
darbe enerjisi ile tokluk ve sünekliğin PP lif miktarının artmasıyla arttığını
belirtmişlerdir.
2.6. Silis Dumanının Beton Özelikleri Üzerindeki Etkisi
2.6.1. Silis Dumanının Özelikleri
Silis dumanı silisyum metali veya ferrosilisyum (FeSi) alaşımlarının üretimi
sırasında kullanılan elektrik ark fırınlarında yüksek saflıktaki kuvarsitin kömür ve
odun parçacıkları ile indirgenmesi sonucu elde edilen çok ince taneli tozdur.
Süperakışkanlaştırıcı kimyasal katkılardaki gelişmeler sonucu yüksek
dayanımlı ve yüksek performanslı betonların vazgeçilmez bir bileşeni haline gelen
silis dumanı bugün endüstrisine problem yaratan bir atık değil para ile alınıp satılan
değerli bir madde haline gelmiştir. Eldeki rakamlara göre dünyadaki yıllık silis
54
dumanı üretimi 1 milyon ton civarında olup bunda A.B.D.nin payı 130.000 ton,
Norveç‟inki ise 120.000 ton kadardır.
Silis dumanı katkılı çimento ve betonlar yüksek dayanım ve dayanıklılık
isteyen yerlerde kullanılmaktadır. Uygulama alanları olarak yerinde dökülmüş veya
prefabrike yüksek dayanımlı veya erken dayanımı yüksek beton elemanları, ağır
aşınmaya maruz döşemeler ve yol kaplamaları, erozyona ve oyulmaya maruz
hidrolik yapılar, zararlı kimyasallara maruz betonlar, beton elemanların onarımı ve
güçlendirilmesi, çelik donatının korunması, yüksek performanslı çimento şerbet ve
sıvaları sayılabilir.
Silis dumanı genellikle camsı, düzgün yüzeyli küresel taneciklerden meydana
gelir. Çok ince taneli ve hafif olduğundan özgül yüzey bazında inceliği Blaine
metodu ile tayin edilememektedir. Bunda cihaz hücresine % 50 boşluk oranı ile
sıkıştırılmasındaki güçlük rol oynar. Çok ince taneli cisimlerde özgül yüzey Azot
Adsorpsiyon (BET) metodu ile tayin edilebilmektedir. Burada özgül yüzey, tanelerin
dış yüzeyleri ile içlerindeki açık boşlukların iç yüzeylerinden oluşan alanı 1 molekül
kalınlığında bir tabaka ile kaplayacak azot gazı miktarından hesaplanmaktadır. Bu
yöntem, taneler arasından hava geçiş hızını esas alan Blaine metodundan farklı
olduğundan iki metodla elde edilen sayısal sonuçların doğrudan karşılaştırılması
mümkün değildir. Tablo 2.10‟daki değerler silis dumanının inceliği konusunda bir
fikir vermektedir [69, s.:7-16].
Tablo 2.10: Çeşitli bağlayıcıların özgül yüzeyleri ve bunları tayin yöntemleri [69].
Yöntem
Özgül yüzey
(m2/kg)
Portland çimentosu Blaine 300-400
Uçucu kül Blaine 400-700
Granüle Y.F. cürufu Blaine 350-600
Silis dumanı Azot (BET) 13000-20000
2.6.2. Silis Dumanının Çimento Hamuru Özeliklerine Etkisi
Silis dumanı katılan çimento hamurunda belirli bir kıvam için gerekli su
ihtiyacı, yapışkanlık, viskosite, terleme ve özellikle agrega ara yüzeyindeki iç yapı
değişikliğe uğrar.
Çok ince ve yuvarlak silis dumanı taneleri daha iri çimento tanelerinin arasına
girerek burada sıkışan suyu dışarı iterler ve taze hamurun kıvamı üzerinde etkili hale
55
getirirler. Bu olumlu etkiye karşın silis dumanı tanelerinin oluşturduğu büyük yüzey
alanı su ihtiyacını artıracak ve kıvamı olumsuz etkileyecektir. Dolayısıyla sonuç
hamurdaki çimento ve silis dumanı miktarları ile su/bağlayıcı malzeme (s/b) orantısı
gibi faktörlere bağlı olarak değişebilecektir. Araştırmalara göre çimentonun % 5‟i
kadar katılan silis dumanı su ihtiyacını fazla değiştirmemekte, daha büyük
miktarlarda ise su ihtiyacı artmaktadır.
Yüksek dozajlı veya düşük s/ç orantılı hamurlara katılan silis dumanı
yapışkanlığı artırmaktadır. Buna neden olarak bağlayıcı malzeme taneleri arasında
temasın artması ve iç terlemenin azalması gösterilmektedir.
Araştırmacılar silis dumanı katkısının beton dayanımı üzerindeki olumlu
etkisini daha çok agrega-hamur ara yüzeyini kuvvetlendirmesine bağlamaktadır.
Şekil 2.14‟de katkısız ve silis dumanı katkılı hamurların agrega ile olan ara
yüzeyleri gösterilmiştir. a) katkısız hamurdaki ara yüzeyi belirtmektedir. Çimento
taneleri (ç) arasında su ile dolu boşluklar görülmektedir. b) de aynı ara yüzey
sertleştikten sonra resmedilmiştir. C-S-H ve CH kristalleri, kısmen etrenjit (etr.)
içeren boşluklar görülmektedir. şeklin c) ve d) bölümlerinde ise silis dumanı katkılı
taze ve sertleşmiş hamurlardaki durum gösterilmiştir. Silis dumanı (SD) taneleri
boşlukları doldurmakta, CH kristallerini küçülmektedir. Ayrıca ilave puzolanik C-S-
H jeli de meydana gelerek boşlukları azaltmakta, dayanımı arttırmaktadır [69, s.:18-
19].
Şekil 2.14: Silis dumanı katkısının ara yüzeye etkisi [69].
56
2.6.3. Silis Dumanının Taze Beton Özeliklerine Etkisi
2.6.3.1. Su ihtiyacı, ĠĢlenebilme ve Çökme Kaybı
Silis dumanı içeren çimento hamuru daha yapışkan olduğundan taze betonda
ayrışma olasılığı azalır. Yüksek dozda silis dumanı kullanıldığında artan yapışkanlık
işlenebilmeyi de zorlaştırır. Bu tür betonlarda başlangıç çökme değerinin normal
betonunkinden 5 cm daha fazla olması önerilmektedir.
Silis dumanlı betonlarda kullanılan akışkanlaştırıcı veya süperakışkanlaştırıcı
katkılar değişik miktarlarda çökme kaybına neden olabilirler. Burada katkı ve
çimento türlerinin de rolü olduğundan kullanılacak malzeme ile önceden deneme
karışımı yapılması ve çökme kaybının belirlenmesi önerilmektedir. Katkı türünün ve
beton karışımına giriş zamanının doğru seçimi ve ilk çökme değerinin yüksek
tutulması alınabilecek önlemler arasındadır.
2.6.3.2. Terleme ve Plastik Rötre
Silis dumanı tanelerinin büyük yüzey alanı taze beton içindeki serbest suyun
önemli bölümünü bağlar. Ayrıca bu taneler boşluk ve gözenekleri doldurarak suyun
beton yüzeyine çıkışını yavaşlatırlar. Sonuç olarak silis dumanı katkılı betonlarda
terleme katkı miktarı ile orantılı olarak önemli miktarda azalır (Şekil 2.15).
Şekil 2.15: Silis dumanının betonda terlemeye etkisi [69].
Silis dumanı katılmış betonlarda terlemenin çok azalması veya hiç meydana
gelmemesi özellikle beton yüzeyinden buharlaşmanın fazla olduğu ortamlarda plastik
57
büzülmeden dolayı çatlama riskini artırır. Çatlakların oluşması priz başlangıcına
kadar sürebilir. Bu süre içinde beton yüzeyinin kürüne özen gösterilmesi veya beton
yüzeyinin örtülerek buharlaşmanın önlenmesi yararlı olur [69, s.:24-25].
2.6.4. Silis Dumanının SertleĢmiĢ Beton Özeliklerine Etkisi
2.6.4.1. Basınç Dayanımı
Silis dumanı katkısının beton dayanımına olan etkisi Şekil 2.16‟deki gibi
açıklanabilir. Diğer puzolanlar gibi yeni C-S-H jelleri oluşmasını sağlamaları yanı
sıra ince silis dumanı taneleri agrega-hamur arayüzey bölgesini sıkılayıp
kuvvetlendirerek beton dayanımını artırırlar. Buna karşın belirli bir işlenebilirlik için
su ihtiyacını artırmaları gibi olumsuz etkileri de vardır. Dolayısıyla betondaki
optimum silis dumanı miktarı, bu etkilerin göreceli değerlerine bağlı olacak ve
çimento, agrega, akışkanlaştırıcı katkı tip ve miktarları ile bakım koşulları gibi klasik
faktörlerden de etkilenecektir [69, s.:28-29].
Şekil 2.16: Silis dumanının beton dayanımına etkisi [69].
2.6.4.2. Çekme ve Eğilme Dayanımları
Silis dumanı katkılı betonlarda çekme veya eğilme dayanımlarının basınç
dayanımına oranı katkısız betonlarınkine benzer. Basınç dayanımı arttıkça çekme ve
eğilme dayanımları da artar. Ancak artış hızı giderek yavaşlar. Silis dumanı
58
miktarının artması veya süperakışkanlaştırıcı kullanılmaması eğilme-basınç
dayanımları orantısının katkısız betonlarınkinden daha küçük olmasına yol
açmaktadır [69, s.:33].
2.6.4.3. Darbeye KarĢı Dayanıklılık
Silis dumanı katkılı betonların dinamik yüklere karşı direncini belirlemek için
yapılan bir çalışmada % 25‟e kadar silis dumanı katkısı içeren beton numuneler
belirli yükseklikten düşen bir kütlenin ardışık darbelerine maruz bırakılmışlar, ağırlık
kayıpları ve ultrasonik puls geçiş hızları ölçülerek katkısız beton değerleri ile
karşılaştırılmışlardır. Sonuçlara göre özellikle % 10-15 katkı oranları betonun
darbeye karşı direncini artırmaktadır [69, s.:34].
59
3. DENEYSEL ÇALIġMALAR
Bu bölümde üretimde kullanılan malzemeler, bu malzemelerin özelikleri,
yapılan taze ve sertleşmiş beton deneyleri ile bu deneylerin yapılışı verilmektedir.
3.1. Kullanılan Malzemelerin Tanımlanması
3.1.1. Çimento
Bu çalışmada, yüksek dayanımlı beton üretimi için uygun bir çimento tipi
olan PÇ 42,5 kullanılmıştır. Bu çimento, Portland çimentosu klinkerinin bir miktar
alçı taşı (CaSO4.2H2O) ile birlikte öğütülmesi sonucu elde edilen hidrolik bir
bağlayıcıdır. Kullanılan çimentonun fiziksel, mekanik ve kimyasal özelikleri Tablo
3.1 ve Tablo 3.2’de verilmektedir.
Tablo 3.1: Kullanılan çimentonun fiziksel ve mekanik özelikleri
Fiziksel Özelikler:
Blaine özgül yüzeyi :352 m2/kg
90 mikronluk elekte kalan :% 2
200 mikronluk elekte kalan :% 0.2
Özgül ağırlık :3.15 gr/cm3
Normal kıvam suyu :% 28
Le Chatelier iğnelerinin toplam açılması :2.3 mm
Priz başlangıcı :3 saat
Priz sonu :4 saat 45 dakika
Mekanik Özelikler: 7 günlük 28 günlük
Basınç Dayanımı (N/mm2) : 46.9 55.0
Eğilme Dayanımı (N/mm2) : 7.4 8.5
60
Tablo 3.2: Kullanılan çimentonun kimyasal özelikleri
Kimyasal Özelikler:
CaO : % 63,24
SiO2 : % 20,03
Al2O3 : % 5,06
Fe2O3 : % 3,60
MgO : % 1,12
K2O : % 0,78
Cl : % 0,0287
Na2O : % 0,27
TiO2 : % 0,31
SO3 : % 2,82
Kızdırma Kaybı: % 2,74
3.1.2. Silis Dumanı
Bu çalışmada kullanılan silis dumanı, Norveç’ten ithal edilmiş olup Elkem
firmasına aittir. Azot adsorbsiyon metodu ile ölçülen özgül yüzeyi 22,13 m2/g ve çok
ince taneli ve gri-mavi renklidir Üretimden iki saat kadar önce beton karma suyunun
% 60’ı ile karıştırılarak bulamaç haline getirildi. Beton üretimine geçmeden hemen
önce de bu karışıma polipropilen lifler ilave edildi. Kullanılan silis dumanının
kimyasal ve fiziksel özelikleri Tablo 3.3’de verilmektedir.
61
Tablo 3.3: Kullanılan silis dumanının kimyasal ve fiziksel özelikleri
Kimyasal Özelikler:
SiO2 :% 91,80
SO3 : % 0,36
MgO : % 1,07
CaO : % 0,50
Na2O : % 0,49
K2O : % 1,34
Al2O3 : % 0,84
Fe2O3 : % 2,06
Cl : % 0,12
H2O : % 0,19
Fiziksel Özelikler:
Yoğunluk:2.25 gr/cm3
3.1.3. Agregalar
Üretilen betonlarda agrega olarak silis unu, kırmakum, deniz kumu ve I nolu
kırmataş kullanıldı. Kırmakum ve kırmataş I, Ömerli bölgesinden alınmış olup kalker
kökenlidir. Agregaların fiziksel özelikleri Tablo 3.8.’de verilmektedir.
3.1.4. Çelik Lifler
3.1.4.1. OL 6/16
Düz şekilli kısa kesilmiş çelik lifler TS 10513’e [17] uygun, üstü pirinç kaplı
ve sarı renkte olup, özelikleri Tablo 3.4’de verilmektedir.
Tablo 3.4: OL 6/16’nın teknik özelikleri
Teknik Özelikler: OL 6/16
Boy (mm) :6
Çap (mm) :0.16
Narinlik :37.5
Özgül Ağırlık (gr/cm3) :7.17
Çekme Dayanımı (N/mm2) :2250
62
3.1.4.2. Dramix Çelik Lifler
Beton takviyesinde kullanılan TS 10513’e [17] uygun iki ucu kancalı,
birbirlerine tutkalla birleştirilmiş, standarda göre C sınıfında ve A tipinde soğuk
çekilmiş çelik liflerdir. Bu tip lifler Şekil 3.1’de görülmektedir.
Şekil 3. 1: Dramix RC 65/60 ve Dramix ZP 305 tipi kancalı çelik lifler
Dramix RC 65/60
Teknik özelikleri Tablo 3.5’de görülmektedir. Başlıca uygulama alanları:
Endüstriyel Zeminler
Kazıklar üzerine Döşemeler
Beton Kazıklar
Koruma Betonları
Kaplamalar
Tablo 3.5: Dramix RC 65/60’ın teknik özelikleri
Teknik Özelikler: Dramix RC 65/60
Çapı :0,90 mm.
Uzunluğu :60 mm.
Narinlik(l/d) :65
Malzeme :Çelik
Yoğunluk :7,85 kg/dm3
Çekme Mukavemeti :min 1000 N/mm2
Tutkal ile yapıştırılmış
demetler
Kancalı uçlar
Yüksek çekme
mukavemetine sahip
çelik lifler
63
Dramix ZP 305
Başlıca uygulama alanları Püskürtme beton ve şap betonlarıdır. Teknik
özelikleri Tablo 3.6’da görülmektedir.
Tablo 3.6: Dramix ZP305’in teknik özelikleri
Teknik Özelikler: Dramix ZP305
Çapı :0,55 mm.
Uzunluğu :30 mm.
Narinlik(l/d) :55
Malzeme :Çelik
Yoğunluk :7,85 kg/dm3
Çekme Mukavemeti :min 1100 N/mm2
3.1.5. Polipropilen Lif
Beton üretiminde Duomix M 20 tipi lif topluluğu şeklinde lifler kullanıldı.
Duomix M 20 tipi liflerin teknik özelikleri Tablo 3.7’de verilmektedir.
Tablo 3.7: Duomix M 20’nin teknik özelikleri
Teknik Özelikler: DUOMĠX M 20
Tipi :Liflendirilmiş
Çapı :16 mikron
Uzunluğu :20 mm.
Spesifik Yüzeyi :275 m2/kg
Malzeme :Polipropilen
Yoğunluk :0,91 kg/dm3
E-Modülü :3500-3900 N/mm2
Çekme Mukavemeti :320-400 N/mm2
Sıvı Tutma Kapasitesi :% 0,0
Azami Çalışma Sıcaklığı :145 0C
Kimyasal Direnci :Asal
Rengi :Beyaz Şeffaf
64
Duomix M 20 ince olduğundan kalın polipropilen liflerin 40 katı kadar lif
sayısına ulaşır ve aderans yüzeyi artar, ancak karışım sırasında problem yaratmaz,
alkali direnci iyidir ve yüksek bağlayıcılık özeliği vardır.
Betona polipropilen lif eklenirse;
Priz sırasında oluşan kılcal rötre çatlakları azalır.
Su geçirimsizliği artar.
Betonun donma-çözülmeye karşı direnci artar.
Betonun köşe ve kenarlarındaki kırılmalara karşı direnci artar.
Betonun kohezyonu artar.
3.1.6. SüperakıĢkanlaĢtırıcı
Akışkanlaştırıcı katkı maddesi olarak polikarboksilik eter esaslı yeni kuşak
süperakışkanlaştırıcı kullanıldı. Bu süperakışkanlaştırıcının seçilmesinin nedeni;
yüksek performanslı beton üretmeye elverişli olması ve düşük su/çimento oranında
işlenebilirliği artırmasıdır. Ayrıca bu süperakışkanlaştırıcı DIN ISO EN 9001 kalite
güvence sistemine uygundur.
Çimentonun daha iyi dağılmasını ve ıslanmasını sağlayarak daha homojen bir
beton elde edilmesini ve düşük su/çimento oranlarında işlenebilirliğin artmasını
sağlar, daha yüksek erken ve nihai mukavemet değerleri elde edilir, durabilite artar,
rötre ve büzülme azalır.
Polikarboksilik eter esaslı olan bu yeni kuşak süperakışkanlaştırıcı
1.05 02,0 kg/dm3
özgül ağırlığında olup kahverengi renkte ve sıvı haldedir.
3.2. Agrega Deneyleri
3.2.1. GevĢek Birim Ağırlık ve Özgül Ağırlık Deneyleri
Gevşek birim ağırlık deneyleri silis unu, deniz kumu, kırma kum ve kırmataş
I için TS 3529’a [70] göre yapıldı. Belirli bir hacimdeki kaba, kürekle serbest bir
şekilde doldurulan agreganın ağırlığının o kabın hacmine oranına agreganın birim
ağırlığı denir. Malzemeler 10 litrelik kaba, kap üzerinden 15 cm mesafeden
düşürülerek dolduruldu.
Silis unu, deniz kumu, kırma kum ve kırmataş I için özgül ağırlık deneyleri
TS 3526’ya [71] göre yapıldı. Belirli bir agrega miktarının, konduğu su dolu kaptan
65
taşan suyun hacmine oranına özgül ağırlık denir. 500 gr. malzeme önce hassas
şekilde tartılarak ağırlığı bulundu. Daha sonra ağırlığı önceden belirlenmiş su dolu
cam kaba konarak tartıldı. Su dolu cam kaba ilave edilen agrega, kendi mutlak
hacmine eşdeğer miktarda suyun taşmasına neden olur. Bulunan değerler Tablo
3.8.’de verilmektedir.
Tablo 3.8: Agregaların gevşek birim ağırlık ve özgül ağırlıkları.
AGREGA
CĠNSĠ
GEVġEK BĠRĠM AĞIRLIK
(kg/m3)
ÖZGÜL AĞIRLIK
(kg/m3)
Silis Unu 1291 2630
Deniz Kumu 1428 2630
Kırma Kum 1539 2710
Kırmataş I 1448 2710
3.2.2. Granülometri
Betonda yükü ileten ve dolayısıyla taşıyan esas iskelet agrega taneleridir. Bu
yüzden agrega yığınındaki boşluk miktarları betonun dayanımı açısından çok
önemlidir. Boşlukların en az olması için betonda kullanılan agrega yığınındaki
tanelerin değişik çaplarda belirli miktarlarda bulunması gerekir. Çünkü eşit çaplı
tanelerden oluşan doluluk en çok % 74 olabilir. Doluluğu artırmak için tanelerin
arasına daha küçük ve değişik çapta taneler koymak gerekir. Ancak tane çapları
küçüldükçe tanelerin toplam yüzeyi artar ve bu taneleri ıslatmak için gerekli su
miktarı artar. Bu da istenmeyen bir durumdur. Her iki olayı birlikte inceleyen çeşitli
deneyler sonucunda TS 706’da [72] belirtilen referans eğrileri elde edilmiştir. Agrega
yığınındaki tanelerin dağılımı bu eğrilere uyduğu takdirde o agregadan oluşan
yığının hem boşluk oranı, hem de toplam yüzey alanı optimum değerlerde tutulmuş
olur. Mevcut agregaların büyük bir çoğunluğu bu referans eğrilerine kendiliğinden
uymazlar. Bu nedenle çeşitli dağılıma sahip agregalar belirli oranlarda karıştırılarak
ideal eğrilere uyulmaya çalışılır.
Elek analizi deneyi, bir agrega yığınındaki tanelerin büyüklüklerini ve
miktarlarını saptamak amacıyla yapılır. Deney sonunda agrega yığınının (%)’de
kaçının belirli bir elek altına geçebileceği bulunur.Agregaların elek analizi sonuçları
Tablo 3.9’da verilmektedir.
66
Tablo 3.9: Agrega Granülometrisi
Elek göz Elekten geçen malzeme (%)
boyutu,
mm. Silis Unu
Deniz
kumu
Kırma
kum
KırmataĢ
I KarıĢım
0,25 98,4 6,6 7,2 0,1 31,6
0,5 99,2 91,7 21,3 0,3 50,4
1 99,7 97,1 37,2 0,7 53,3
2 100 98 56 3,2 56,5
4 100 100 99,4 26 70,3
8 100 100 100 73,3 89,3
16 100 100 100 100 100
31,5 100 100 100 100 100
Üretilen betonlarda % 30 silis unu, % 20 deniz kumu, % 10 kırma kum ve %
40 kırmataş I’den oluşan agrega karışımı kullanıldı.
Agrega karışımının granülometri eğrisi TS 706’daki referans eğrileriyle
birlikte Şekil 3.2.’de görülmektedir.
Şekil 3.2: Karışımın granülometri eğrisi
3.3. Beton Üretimi
Bu çalışmada üretilen 11 farklı bileşime sahip betonlarda polipropilen lif
oranı hacimce % 0,05’de sabit tutuldu. 3 farklı çelik lif toplam lif yüzdesi % 3
olacak şekilde farklı miktarlarda katıldı. Böylece toplam lif yüzdesi karşılaştırma
0
20
40
60
80
100
0,25 0,5 1 2 4 8 16elek gözü açıklığı (mm)
Ele
kte
n g
eçen
malz
em
e (
%)
A16 B16 C16 karışım
67
betonu dışındaki betonlarda % 3.05’de sabit tutuldu. Bütün bileşimlerde nominal
çimento dozajı 600 kg/m3’te sabit tutuldu. Silis dumanı çimento ağırlığının % 10’u
oranında kullanıldı, su/çimento oranı % 30’da ve su/bağlayıcı oranı da % 27’de sabit
tutuldu. Bütün bileşimlerde hava boşluğu oranı % 1.5 olarak öngörüldü. Katkı
miktarı bütün bileşimlerde aynı işlenebilmeyi sağlayabilmek için az miktarda
değiştirilerek % 2-3 oranında kullanıldı.
3.3.1. Üretimde Ġzlenen Sıra
Silis dumanı üretimden 2 saat önce karma suyunun % 60’ı ile karıştırıldı.
Kırmataş I ve kırma kum betoniyerde kuru olarak 30 sn karıştırıldı.
Deniz kumu eklenip 30 sn. daha karıştırıldı.
Çimento eklenip 30 sn karıştırıldı.
Silis unu eklenip 30 sn. karıştırıldı.
Lifler önce büyük boyutlu liflerden başlanarak çalışan betoniyere yavaş yavaş
eklendi.
Ayrı kapta hazırlanan su-silis dumanı karışımına polipropilen lifler ve
çimento ağırlığının % 0,8’i oranında süperakışkanlaştırıcı eklenip karıştırıldı
ve bu karışım çalışmakta olan betoniyere yavaş yavaş katıldı.
Karma suyunun geri kalan % 40 oranındaki kısmı çalışan betoniyere yavaş
yavaş eklendi.
Karışımın kıvamına göre bir miktar daha süperakışkanlaştırıcı eklenerek 15
dakika kadar karıştırıldı.
3.3.2. Numune Kodlarının Belirlenmesi
Numune kodları belirlenirken kullanılan liflerin cinsi ve oranları esas alındı.
Lifin cinsini belirten harfi lif yüzdesini belirten rakam izlemektedir. Numune kodları
ve lif yüzdeleri Tablo 3.10.’da görülmektedir.
68
100 mm
100 mm
500 mm
150 mm
300 mm
150 mm
60 mm
Tablo 3.10: Üretilen betonların kodları ve karışımlardaki lif yüzdeleri
Numune kodu polip. lif RC 65/60 ZP305 OL 6/16 Toplam
P05 0,05 - - - 0,05 R3 0,05 3 - - 3,05
Z3 0,05 - 3 - 3,05
O3 0,05 - - 3 3,05
O1Z2 0,05 - 2 1 3,05
O2Z1 0,05 - 1 2 3,05
O1R2 0,05 2 - 1 3,05
O2R1 0,05 1 - 2 3,05
Z1R2 0,05 2 1 - 3,05
Z2R1 0,05 1 2 - 3,05
OZR 0,05 1 1 1 3,05
3.3.3. Numune Boyutları ve ġekilleri
Her bir karışımdan 3 adet prizma 3 adet silindir ve 6 adet disk numuneleri
üretildi. Numuneler üretimden 24 saat sonra kalıplarından alınarak 20 2 0C’deki
kür havuzuna kondu. Numune boyutları ve şekilleri Şekil 3.3’de görülmektedir.
Prizma: 100 x 100 x 500 mm
Silindir : Φ = 150 mm, h = 300 mm Disk : Φ = 150 mm, h = 60 mm
Şekil 3.3: Numune boyut ve şekilleri
69
3.4. Taze Beton Deneyleri
Taze beton; betonun karıştırma işlemi bittikten sonra sahip olduğu
işlenebilirliğini belirli bir değişme olmadan koruyabileceği süre içindeki halidir.
İşlenebilme bir taze beton özeliğidir. Taze beton kolay karıştırılmalı, kolay
yerleştirilmeli, karışırken, taşınırken ve yerleştirilirken ayrışmamalı ve homojenliğini
yitirmemelidir. İşlenebilme kavramı içinde minimum enerji, homojenliğin
korunması, boşluksuz yerleşme ve kıvam kavramları yatmaktadır. Taze betonla ilgili
olan bu unsurların betonun mekanik özelikleri ve performansı üzerinde önemli
etkileri vardır. Beton bileşimleri ve taze beton özelikleri Tablo 3.11.’de
verilmektedir.
Tablo 3.11: Beton bileşimleri ve taze beton özelikleri
Kullanılan malzeme P05 O3 Z3 R3 O1Z2 O1R2 O2Z1 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Çimento (kg/m3) 591 591 593 603 595 601 597 596 596 593 601
Silis dumanı (kg/m3) 59 59 59 60 59 60 60 60 60 59 60
Su (kg/m3) 177 177 178 181 178 180 179 179 179 178 180
Silis unu 1(kg/m3) 443 420 421 429 422 426 424 423 423 421 427
Kırma kum (kg/m3) 152 144 145 147 145 146 146 145 145 145 147
Deniz kumu (kg/m3) 295 280 281 286 282 284 283 282 282 281 285
Kırmataş I (kg/m3) 608 577 578 589 580 585 582 581 581 579 587
Süperakışkanlaştırıcı(kg/m3) 13 14 16 16 16 15 16 16 16 16 18
OL 6/16 çelik lif (kg/m3) 0 212 0 0 71 72 142 143 0 0 73
ZP 305 çelik lif (kg/m3) 0 0 233 0 157 0 78 0 77 155 78
RC 65/60 çelik lif (kg/m3) 0 0 0 237 0 157 0 78 156 78 78
Polipropilen lif (kg/m3) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
Hava boşluğu (dm3) 33 32 27 11 25 17 22 23 23 27 14
Birim Ağırlık (kg/m3) 2338 2474 2504 2550 2506 2527 2507 2503 2516 2507 2534
Su/çimento 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30
Su/bağlayıcı 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27
Süperakışkanlaştırıcı(gr) 500 560 650 650 650 611,5 650 650 640 650 720
Süperakş./çimento (%) 2,1 2,3 2,7 2,7 2,7 2,5 2,7 2,7 2,7 2,7 3,0
Çökme (cm) 16 16 15 12 22 22 22 23 19 20 15
70
3.5. SertleĢmiĢ Beton Deneyleri
3.5.1.Silindir Basınç Deneyi
Basınç deneyleri 26. günde kür havuzundan çıkarılarak başlık yapılan çapı
150 mm. ve yüksekliği 300 mm. olan silindir numuneler üzerinde 28. günde yapıldı.
Basınç deneylerinde 500 ton kapasiteli yükleme makinası kullanıldı ve yükleme hızı
0.3 ton/sn.’de sabit tutuldu. Her 2,5 tonluk yüke karşı gelen düşey yerdeğiştirme
değerleri komperatör yardımıyla okundu ve elde edilen grafiklerden elastisite
modülleri hesaplandı. Ayrıca numunelerin kırılma yükleri kesit alanına bölünerek
basınç dayanımları hesaplandı.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
ġekildeğiĢtirme (%)
Ba
sın
ç D
ay
an
ımı
(MP
a)
P05 R3 Z3 O3
O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1
Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 3.4: Silindir basınç dayanımı-şekildeğiştirme ilişkisi
Şekil 3.4’te her bir karışımın ortalamasından elde edilen basınç etkisinde
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri görülmektedir. Ayrıca bütün numunelerin gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri Ek-A’da verilmektedir.
Elastisite modülü değerleri bu eğrilerden faydalanılarak hesaplandı. Elastisite
modülleri hesaplanırken en büyük yükün % 5’i ile % 45’i arasında kalan gerilme-
şekildeğiştirme değerleri kullanıldı. Ayrıca kırılma noktasındaki yük kesit alanına
bölündü ve basınç dayanımları hesaplandı. Silindir basınç deneyleri gerilme-
şekildeğiştirme eğrilerinden elde edilen basınç dayanımı ve elastisite modülü
değerleri Tablo 3.12’de verilmektedir.
71
3.5.2.Silindir Yarmada Çekme Deneyi
Yarmada çekme deneyleri 150 mm. çapında ve 60 mm yüksekliğinde disk
numuneler üzerinde yapıldı. Numunelere çizgisel yük uygulanarak yarma kuvvetleri
bulundu ve bu kuvvetlerden 3.1. denklemi yardımıyla yarmada çekme dayanımlarına
geçildi.
DL
P
max
t
2f (3.1)
ft : Yarmada çekme dayanımı (N/mm 2)
maxP : Maksimum yük (N)
D : Silindirin çapı (mm)
L : Silindirin yüksekliği (mm)
Yarmada çekme deneylerinden elde edilen yarmada çekme dayanımı
değerleri Tablo 3.12’de, bu değerlerden elde edilen yarmada çekme dayanımları da
Şekil 4.6’da görülmektedir.
3.5.3.RILEM Kırılma Enerjisi Deneyi
Kırılma enerjisi deneyleri İ.T.Ü. Yapı ve Deprem laboratuarında MTS marka
yerdeğiştirme kontrollü yükleme makinası ile yapıldı. Üretimden itibaren 60 6 gün
sonra 3 noktadan yüklemeli eğilme deneyine tabi tutulan numunelerin tepe noktası
sonrası gerilme-şekildeğiştirme eğrileri elde edildi ve kırılma enerjileri hesaplandı.
Böylece farklı tip ve boyuttaki çelik liflerin eklenmesinin malzemenin eğilme
dayanımına ve kırılma enerjisine etkileri saptandı.
3.5.3.1.Deney Düzeneğinin Hazırlanması
Çentikli numunelerin etkin kesit alanı 60x100 mm. olacak şekilde
100x100x500 mm. boyutundaki prizmatik numunelerin orta noktasından 40 mm.
derinliğindeki çentik elmas testere ile açıldı. Sehim değerlerinin düzgün bir yüzey
üzerinden alınabilmesini sağlamak için numune üzerine cam levhalar yapıştırıldı.
Cam levhalar, kirişin mesnetleneceği noktalara üstten iki adet ve kirişin orta
noktasının 1 er cm. sağına ve soluna ise alttan eksenel olarak, yarısı kirişten dışarı
taşacak şekilde iki adet olmak üzere toplam 4 adet yapıştırıldı. Mesnetteki camlara,
72
mesnet çökmelerini, ortadaki camlara ise maksimum sehim değerlerini ölçmek
amacıyla birer LVDT alıcı yerleştirildi. Bu alıcılardan mesnet üstüne yerleştirilenler
5 mm., diğerleri ise 25 mm. maksimum yerdeğiştirme kapasitesine sahipti. Ortadaki
alıcıların ölçtüğü sehim değerlerinden mesnetlerdeki çökmeler çıkarılarak gerçek
sehim değerleri bulundu. 3 noktadan yüklemeli eğilme deney düzeni Şekil 3.5’de
görülmektedir. Deney numunelerini yükleme hızı; ilk 2 mm.’lik şekildeğiştirmeye
kadar 5 sm / , 2 mm.’den sonra ise 15 sm / olarak belirlenmiştir.
Şekil 3.5: 3 noktadan yüklemeli eğilme deneyi düzeneği
Şekil 3.6: Eğilme deneyi veri toplama sistemi
73
Yük-sehim ilişkileri ve eğilme dayanımları ile ilgili verilerin tamamı, veri
toplayıcıdan bilgisayara aktarıldı. Veri toplama sistemi Şekil 3.6'da görülmektedir ve
bu sonuçlar yardımıyla çizilen yük-sehim grafikleri EK-B’de verilmiştir.Her bir
karışımın 3 numunesinden ortalamaya en yakın olan birine ait yük-sehim eğrisi
alınarak çizilen grafik ise Şekil 3.7’de görülmektedir.
Prizma Eğilme Deneyleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k(K
N)
P05 R3 Z3 O3O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 3.7: 3 noktadan yüklemeli eğilme deneylerinden elde edilen yük-sehim eğrileri
3.5.3.2.Kırılma Enerjilerinin Hesaplanması
Bir numunenin yük-sehim eğrisi oluşturulduğunda bu eğrinin altında kalan
alan enerji yutma kapasitesi ile orantılıdır. Beton karışımına lif eklenmesinin en
önemli faydası, enerji yutma kapasitesini önemli ölçüde artırmasıdır. Bölüm
2.4.1.2’de belirtildiği gibi kompozitin eğilme dayanımının belirlenebilmesi için pek
çok standart ve önermeler vardır. Bu çalışmada ise Hillerborg ve arkadaşlarının
belirttiği kırılma enerjisi (GF) hesaplanmıştır. Bu özeliğin hesaplanması için standart
test methodu 1985 yılında RILEM tarafından belirtilmiştir [40]. Bu çalışmada
kırılma enerjisini hesaplamak için çentikli kirişlerde üç noktadan yüklemeli eğilme
deneyi uygulandı.
Şekil 3.8'de örnek bir yük-sehim eğrisi görülmektedir. Bütün numuneler için
yük-sehim eğrileri çizilerek, bu eğrilerin altında kalan alanın 7 mm. sehim değerine
kadar olan bölümü hesaplandı. Üretilen 33 numunenin 4’ünde 7 mm sehime kadar
ölçüm yapılamadığından son okuma değerinden 7 mm sehim değerine kadar yükü en
74
sonda 0 kabul ederek lineer bir doğru çizildi. Bu yöntem Barros ve Figueiras [73]
tarafından benzer şekilde kullanılmıştır.
Şekil 3.8: Örnek bir yük-sehim eğrisi
Kırılma enerjilerinin hesaplanmasında 3.2 bağıntısı kullanıldı.
lig
FA
mgWG 00
(3.2)
FG :Kırılma enerjisi (N/m)
0W :Yük-sehim eğrisi altında kalan alan (Nm)
m :Kirişin mesnetler arasında kalan ağırlığı (kg)
g :Yerçekimi ivmesi (9,81 m/sn2)
0 :Kirişin göçme sırasındaki deformasyonu (m)
ligA :Etkin kesit alanı (m2)
Bütün numuneler için hesaplanan kırılma enerjisi değerleri EK C’de ve
bunların ortalaması ile çizilen kırılma enerjileri grafiği Şekil 4.8’de verilmektedir.
75
3.5.3.3.Net Eğilme Dayanımlarının Hesaplanması
Net eğilme dayanımları ffnet değerleri bütün numuneler için 3.3 bağıntısı
kullanılarak hesaplandı.
2
02
3
aDB
Plf fnet
(3.3)
fnetf :Net eğilme dayanımı (N/mm 2)
P :Maksimum yük (N)
l :Mesnetler arası uzaklık (mm)
B :Numune kesitinin genişliği (mm)
D :Numune kesitinin yüksekliği (mm)
0a :Çatlak derinliği (mm)
Bütün numuneler için hesaplanan net eğilme dayanımı değerleri EK D’de ve
bunların ortalaması ile çizilen net eğilme dayanımları grafiği Şekil 4.14’de
görülmektedir.
3.5.4. Karakteristik Boyların Hesaplanması
Üretilen numunelerin karakteristik boyları Hillerborg tarafından önerilen
şekilde 3.4 bağıntısı kullanılarak hesaplandı.
f2
t
Fch
EGl (3.4)
lch :Karakteristik boy (mm)
E :Elastisite Modülü (kN/mm 2)
FG :Kırılma enerjisi (N/m)
ft :Yarmada Çekme Dayanımı (N/mm2)
Numuneler üzerinde yapılan sertleşmiş beton deneylerinden elde edilen
sertleşmiş beton özelikleri Tablo 3.12’de görülmektedir.
76
Tablo 3.12: Sertleşmiş beton özelikleri
Numune Kodları P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Basınç Dayanımı-fc (N/mm2) 93.1 114.8 111.6 105 121.7 126.7 126.3 117.8 109.3 115.9 117.4
Elastisite modülü-E (N/mm2) 43772 47238 47858 45204 46766 46490 47526 48286 48395 48478 49404
Yarmada Çekme Dayanımı-ft (N/mm2) 6.88 13.71 13.07 12.26 14.4 13.62 16.54 14.5 14.04 14.39 13.85
Net Eğilme Dayanımı- ffnet (N/mm2) 7.18 35.82 23.22 15.91 26.18 18.15 24.69 22.73 25.09 24.73 31.67
Kırılma Enerjisi-GF (N/m) 95 15579 9560 5120 9303 5128 9968 7425 10114 9224 12220
Karakteristik Boy-lch (mm) 88 3915 2678 1540 2098 1285 1732 1705 2483 2159 3147
77
4. DENEY SONUÇLARININ ĠRDELEME VE DEĞERLENDĠRĠLMESĠ
4.1. Silindir Basınç Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların Değerlendirilmesi
Silindir basınç deneylerinden elde edilen basınç dayanımı ve elastisite
modülü değerleri Tablo 3.12 Sertleşmiş beton özelikleri tablosu ile Şekil 4.1 ve Şekil
4.4’de görülmektedir. Bu değerlere göre % 3 çelik lif eklenmiş numunelerin basınç
dayanımlarında lif tipine bağlı olarak önemli miktarlarda artışlar olmuştur. Yapılan
çalışmalarda [13] betona lif eklenmesiyle basınç dayanımında genelde 25% ’lik bir
değişim olacağı belirtilmektedir. Lif miktarının optimum değerden fazla seçilmesi
işlenebilme problemlerine ve liflerin topaklaşarak karışım içinde homojen
dağılmaması sonucu basınç dayanımlarında düşüşlere neden olmaktadır. Bu yüzden
beton karışımlarında kullanılacak lif yüzdesi belirlenirken dikkatli davranılmalı,
optimum lif yüzdesinin o karışım için ne olacağı belirlenmeye çalışılmalıdır. Bu
çalışmada % 25’den daha yüksek basınç dayanımı artışları da elde edilmiştir. Karma
lif kullanılması ile farklı boyutlardaki lifler farklı çatlama safhalarında devreye
girerek çatlakların ilerlemesini durdurmaktadır.
4.1.1. Basınç Dayanımlarının Değerlendirilmesi
Çelik lif içermeyen P05 numunesinde basınç dayanımı 93,1 N/mm2 iken en
yüksek olarak O2Z1 numunesinde % 37 artış ile 126,7 N/mm2, en düşük olarak da
O3 numunesinde % 13 artış ile 105,0 N/mm2
değerlerine ulaşmıştır. Elde edilen
basınç dayanımı değerleri Şekil 4.1’de görülmektedir.
Basınç dayanımlarının en çok mezo ve makro çelik liflerin birlikte
kullanıldığı karma lif içeren O2Z1, O1R2, O1Z2 ve O2R1 kodlu numunelerde arttığı,
tek çeşit çelik lif kullanılan R3, Z3 ve O3 numunelerinde en az arttığı görülmektedir.
2 farklı boyutta makro lif kullanılmasıyla basınç dayanımında oluşan artışın tek tip
lifli numuneler düzeyinde olduğu Z1R2 ve Z2R1 numunelerinin değerlerinden
görülmektedir. Ayrıca 1 çeşit mezo ve 2 çeşit makro lif içeren OZR numunesinin de
dayanımı beklendiği kadar artırmadığı görülmektedir. Eren Ö. ve Çelik T. [28]’de
yaptıkları araştırmada silis dumanının betonun basınç dayanımını artırdığı ancak lif
78
miktarı ve narinliğinin basınç dayanımına etkisinin çok az olduğu sonucuna
varmışlardır.
Basınç Dayanımları (N/mm2)
93,1
114,8 111,6105
121,7126,7 126,3
117,8109,31
115,9 117,4
0
20
40
60
80
100
120
140
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 4.1: Silindir basınç dayanımları
Şekil 4.1 incelendiğinde 1 tip mezo ve 1 tip makro lif kullanılan karma lifli
numunelerden en yüksek basınç dayanımlarının elde edildiği, tek tip veya 2 farklı tip
makro lif kullanılmasının performansı pek artırmadığı, 1 mezo ve 2 farklı tip makro
lif kullanılmasının da basınç dayanımına önemli etkisinin olmadığı görülmektedir.
Beton üretiminde kullanılan makro liflerden ZP 305 ve RC 65/60’ın karma olarak
kullanılmasının basınç dayanımına olumlu etkisinin olmamasının nedeni ikisinin de
yaklaşık aynı çekme dayanımlarına sahip, aynı tipte, aynı sınıfta makro lifler
olmasıdır. 1 mezo ve 1 makro lif kullanılması ile en yüksek basınç dayanımı
değerlerinin elde edilmesinin nedeni ise farklı boylardaki liflerin farklı boylardaki
çatlakları engellemesidir.
Bu çalışmada üretilen beton karışımına hangi lif tipinden ne miktarda
katılmasının basınç dayanımı açısından daha etkili olduğunun saptanması için Design
Expert Version 6.0.7 programından yararlanılmıştır. Değişkenlerin analizi (Anova)
yöntemi kullanılarak çalışan bu program yardımıyla çizilen Şekil 4.2’den basınç
dayanımlarının karma lif yüzdelerine göre değişimi görülmektedir. Bu şekildeki
üçgende, herbir beton karışımının hangi noktaya denk geldiği Şekil 4.3’de
verilmektedir.
79
Z3 O3
Z1R2
Z2R1
O1R2
O2R1
OZR
Z1R2 Z2R1 O2
Z1
O1
Z2
OZ
R
Şekil 4.2: Silindir basınç dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı olarak değişimi
Şekil 4.3: Beton karışımlarının belirtildiği üçgen.
Bu programa göre toplam % 3 çelik lif kullanıldığında basınç dayanımı
açısından optimum sonuçları elde etmek için kullanılması gereken lif yüzdeleri ve
elde edilebilecek basınç dayanımı değerleri Tablo 4.1’de görülmektedir.
Tablo 4.1: Maksimum basınç dayanımı elde etmek için gereken lif yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) fc (N/mm2)
1 1.35 1.65 0.00 124.923
2 1.44 1.56 0.00 124.858
3 1.20 0.00 1.80 122.622
X1 = OL 6/16 6/16 X2 = ZP 305 305 X3 = RC 65/60
X1 (0.00)
ZP 305 (% 3.00)
X2 (0.00)
RC65/60(% 3.00)
105.426
110.509
115.592
120.675
125.759
f c
OL 6/16 (% 3.00) X3 (0.00)
OZR
O2Z1 O1Z2
R3
80
4.1.2. Elastisite Modüllerinin Değerlendirilmesi
Çelik lif içermeyen P05 numunesinde elastisite modülü 43772 N/mm2 iken en
yüksek olarak OZR numunesinde 49404 N/mm2 (% 12,9 artış oranı ile) en düşük
olarak da O3 numunesinde 45204 N/mm2 (% 3,2 artış oranı ile) değerlerine
ulaşmıştır.
Elastisite modüllerindeki değişimler Şekil 4.4’de görülmektedir. Basınç
dayanımlarından elde ettiğimiz sonuçların tersine burada 2 farklı boyutta makro lif
kullanılması olumlu sonuçlar vermiştir. Hatta en yüksek elastisite modülü 1 çeşit
mezo 2 çeşit makro lif kullanılan OZR numunesinden elde edilmiştir. En düşük
artışlar O3, O2Z1 ve O1Z2 numunelerinde olmuştur. En kısa uzunluktaki çelik lif
olan OL 6/16’nın kullanıldığı karışımlarda elastisite modülündeki artışın en düşük
seviyede kalması dikkat çekmektedir. Ayrıca 1 mezo 1 makro lif içeren numunelerde
mezo lifin 60 mm.’lik makro lifle birlikte kullanılması 30 mm.’lik makro lifle
kullanılmasından daha iyi sonuçlar vermiştir.
Elastisite Modülleri(N/mm2)
43772
4723847858
45204
4676646490
47526
48286 48395 48478
49404
40000
41000
42000
43000
44000
45000
46000
47000
48000
49000
50000
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 4.4: Elastisite modülleri
Design Expert Version 6.0.7 programı yardımıyla çizilen Şekil 4.5’den
elastisite modüllerinin karma lif yüzdelerine göre değişimi görülmektedir. Bu
şekildeki üçgende, herbir beton karışımının hangi noktaya denk geldiği daha önce
Şekil 4.3’de verilmişti. Bu programa göre toplam % 3 çelik lif kullanıldığında
elastisite modülü açısından optimum sonuçları elde etmek için kullanılması gereken
lif yüzdeleri ve elde edilebilecek elastisite modülü değerleri de Tablo 4.2’de
görülmektedir.
81
Şekil 4.5: Elastisite modüllerinin lif tipine ve miktarına bağlı olarak değişimi.
Tablo 4.2: Maksimum elastisite modülü elde etmek için gereken lif yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) E(kN/mm2)
1 0.00 1.67 1.33 48.8551
4.2. Silindir Yarmada Çekme Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların
Değerlendirilmesi
Çelik lif içermeyen P05 numunesinde yarmada çekme dayanımı 6,88 N/mm2
iken en yüksek olarak O1R2 numunesinde % 140 artış ile 16,54 N/mm2
en düşük
olarak da O3 numunesinde % 78 artış ile 12,26 N/mm2 değerlerine ulaşmıştır.
Bu sonuçlarda basınç dayanımlarına benzer şekilde en yüksek olarak 1 mezo
1 makro lifin birlikte kullanıldığı numunelerden elde edilmiş, 2 makro lifin veya 2
makro 1 mezo lifin birlikte kullanıldığı numuneler orta derecede performans artışı
sağlarken, tek tip liflerin kullanıldığı R3, Z3 ve O3 numunelerinden en az
performans artışı sağlanabilmiştir. Karma lif kullanılması ile tek çeşit lif
kullanılmasına göre yarmada çekme dayanımlarında daha yüksek miktarlarda artışlar
elde edilmiştir. Ayrıca mezo lifin 60 mm.’lik makro liflerle birlikte kullanılması 30
mm.’lik makro liflerle kullanılmasına göre daha iyi sonuçlar vermiştir. Her bir
X1 = OL 6/16 X2 = ZP 305 X3 = RC 65/60
ZP 305 (% 3.00) X1 (0.00)
X2 (0.00)
RC 65/60(% 3.00)
X3 (0.00)
45.0002
45.9639
46.9276
48.8549
E
OL 6/16 (% 3.00)
47.8912
82
karışım için deney yapılan altı numuneden elde edilen değerlerin ortalamasından
bulunan yarmada çekme dayanımları ortalama değerleri Şekil 4.6’da görülmektedir.
Yarmada Çekme Dayanımları(N/mm2)
6,88
13,7113,07
12,26
14,413,62
16,54
14,5 14,04 14,3913,85
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 4.6: Yarmada çekme dayanımları
Design Expert Version 6.0.7 programı yardımıyla çizilen Şekil 4.7’den
yarmada çekme dayanımlarının karma lif yüzdelerine göre değişimi görülmektedir.
Bu şekildeki üçgende, herbir beton karışımının hangi noktaya denk geldiği Şekil
4.3’de daha önceden verilmişti. Bu programa göre toplam % 3 çelik lif
kullanıldığında yarmada çekme dayanımları açısından optimum sonuçları elde etmek
için kullanılması gereken lif yüzdeleri ve elde edilebilecek yarmada çekme
dayanımları değerleri Tablo 4.3’de görülmektedir.
Tablo 4.3: Maksimum yarmada çekme dayanımı elde etmek için gereken lif
yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) ft (N/mm2)
1 1.26 0.00 1.74 15.9222
2 1.36 0.00 1.64 15.9098
3 0.00 1.19 1.81 14.3321
4 1.20 1.80 0.00 14.2491
83
Şekil 4.7:Yarmada çekme dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı olarak
değişimi
4.3. Rilem Kırılma Enerjisi Deneylerinden Elde Edilen Sonuçların
Değerlendirilmesi
Betonlara çelik lif eklenmesi genel olarak basınç dayanımı ve elastisite
modülünü az miktarda artırmasına karşın yarmada çekme, eğilmede çekme ve tek
eksenli çekme değerlerini önemli miktarlarda artırmaktadır. Yarı gevrek bir davranış
gösteren betona çelik lif ilave edilmesiyle çekme gerilmeleri karşılanmaktadır. Çelik
lif takviyesi ile yüksek dayanımlı kompozitlerde en önemli sorun olan gevrek
davranış ortadan kalkmakta, böylece malzeme daha sünek bir davranış göstererek ani
göçme ihtimali çok azalmaktadır.
4.3.1. Kırılma Enerjilerinin Değerlendirilmesi
Numunelerin kırılması sırasında harcanan enerji, dolayısıyla sünekliği ifade
eden kırılma enerjisi değerleri yük-sehim eğrilerinin altında kalan alana bağlıdır.
Çelik lif ilave edilmesi ile bu alan dolayısıyla kırılma enerjileri çok artar. Bir
karşılaştırma yapabilmek amacıyla normal beton, yüksek dayanımlı beton ve reaktif
pudra betonunun (RPB) mekanik özellikleri yaklaşık olarak Tablo 4.4’de verilmiştir.
X1 = OL 6/16 X2 = ZP 305 X3 = RC 65/60
X1 (0.00) ZP 305 (% 3.00)
X2 (0.00)
RC 65/60(% 3.00)
X3 (0.00)
11.759
13.0344
14.3098
15.5852
16.8606
f t
OL 6/16(% 3.00)
84
Tablo 4.4: Normal dayanımlı beton, yüksek dayanımlı beton ve RPB’nun mekanik
özeliklerinin karşılaştırılması [74].
Mekanik Özelikler NDB YDB RPB
Basınç Dayanımı
(MPa) 20-60 60-115 200-800
Eğilme Dayanımı
(MPa)
4-8 6-10 50-140
Kırılma Enerjisi
(N/m)
100-120 100-130 10000-40000
Tepe noktasına karşı gelen
şekildeğiştirme (10-6
)
1500-2000 2000-2500 5000-8000
Elastisite Modülü
(GPa)
20-30 35-40 60-75
Çelik lif içermeyen P05 numunesi gevrek davranış gösterdiğinden yük-sehim
eğrileri tepe noktasına kadar elde edilebildi, bu nedenle P05 numunesinin kırılma
enerjisi hesaplanamadı. Bir karşılaştırma yapabilmek amacıyla bu numunenin kırılma
enerjisi Bayramov ve arkadaşlarının [75] belirttikleri şekilde mezomekanik
modellerle kırılma enerjisinin hesaplanmasından yararlanarak yaklaşık 95 N/m
olarak bulundu.
Her bir karışımdan üretilen üç numunenin deney sonuçlarının ortalamasından
elde edilen kırılma enerjileri Şekil 4.8’de görülmektedir. Çelik lif içermeyen P05
numunesinde kırılma enerjisi 95,0 N/m iken en yüksek olarak R3 numunesinde %
16299 artış ile 15579 N/m, en düşük olarak da O3 numunesinde % 5289 artış ile
5120 N/m değerlerine ulaşmıştır.
Bu sonuçlara göre kırılma enerjisindeki artışın en fazla 60 mm.’lik makro
lifin kullanıldığı numunelerde meydana geldiği, 30 mm.’lik makro lifin ikinci
derecede etkili olduğu, 6 mm.’lik mezo lifin eklenmesinin ise kırılma enerjisini diğer
liflerin eklenmesine göre en az artırdığı, tek tip çelik liflerin kullanıldığı R3, Z3 ve
O3 numunelerinin yanısıra O1Z2-O2Z1 ile O1R2-O2R1 aralarındaki ilişkiden de
görülmektedir. Uzun lifler kısa çatlakları olduğu kadar uzun çatlakları da
önleyebildiklerinden lif boylarının artmasıyla kırılma enerjilerinde artışlar elde
edilmektedir. Çatlaklar ilerleyip daha büyük boyutlara ulaştığında dahi uzun lifler
çatlaklar arasında köprü vazifesini devam ettirebilir. Buna karşın kısa lifler çatlak
boyutları büyüdüğü zaman boyları kısa olduğundan bu görevlerini yerine
85
getiremezler ve sıyrılmaya başlarlar. Bu da kırılma enerjisinin daha düşük elde
edilmesine neden olur.
Şekil 4.8: Kırılma enerjisi ortalama değerleri
Genellikle uygulamalarda % 1’in altında lif kullanılan numunelerde kısa lifler
uzun liflere göre daha yüksek ilk çatlak dayanımına sahiptirler. Aynı hacimsel
yüzdede kullanılan lifler arasında boyutu küçük olanın daha fazla oranda olması ile
kompozitlerin içlerinde nerede oluşacağı bilinmeyen ilk çatlaklara karşı bu liflerin
hemen devreye girmesi olasılığı daha yüksek olur. Bu yüzden kısa liflerin
kullanıldığı betonların ilk çatlak dayanımları uzun lifli betonlardan genelde daha
yüksek çıkarken ilk çatlak dayanımlarından sonraki artış liflerin sıyrılmaya
başlamasından dolayı pek yüksek olmamaktadır. Çelik lif içermeyen ve tek tip çelik
lif içeren numunelerin yük sehim diyagramları Şekil 4.9’da görülmektedir. Bu
şekilde görüldüğü üzere 6 mm.’lik çelik lif içeren O3 numunesinde ilk çatlaktan
hemen sonra yük azalmaya başlamakta fakat en uzun çelik liflerin kullanıldığı R3
numunesinde ise yük ilk çatlak dayanımının yaklaşık iki katına kadar artmaya devam
etmektedir. Uzun lifli betonlarda ilk çatlak dayanımından sonra yük artışının kısa lifli
betonlardan fazla olmasının nedeni, uzun liflerin çatlaklar büyük boyutlara
vardığında dahi bu çatlaklar arasında yük iletimini sağlayabilecek uzunlukta
olmaları, kısa liflerin ise çatlaklar kendi boylarını aştığı zaman bu görevi yerine
getiremeyerek betondan sıyrılmalarıdır. Bu araştırmada çelik liflerin hacimsel
yüzdesi % 3 olarak diğer bazı uygulamalardan biraz yüksektir ve bu yüzden uzun
liflerin kullanıldığı beton serisinin (R3) taşıyabileceği maksimum yük kısa liflerin
kullanıldığı serinin (O3) taşıyabileceği yükün yaklaşık 3 katı olmaktadır. Bu nedenle
Kırılma Enerjisi(N/m)
95
15579
9560
5120
9303
5128
9968
7425
101149224
12220
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
86
uzun liflerin kullanıldığı serinin ilk çatlak dayanımları da kısa liflerin kullanıldığı
seriden biraz yüksek çıkmıştır. En yüksek ilk çatlak dayanımı ise 3 farklı tipte çelik
lifin birlikte kullanıldığı OZR numunesinden elde edilmiştir. Kim ve arkadaşları
[64]’da yaptıkları araştırmada karma lif içeren betonların ilk çatlak boylamasına
karşı dirençlerinin ve tokluklarının mikro ve makro lif içeren betonlara göre daha
yüksek olduğu sonucuna varmışlardır.
Şekil 4.9: Çelik lif içermeyen ve tek tip çelik lif içeren numunelerin yük-sehim
diyagramları.
Şekil 4.9’daki numunelerin ilk çatlak dayanımları yaklaşık olarak; R3 için
10,8 kN, Z3 için 11,8 kN, O3 için 8,3 kN ve OZR numunesi içinse 15,2 kN’dur.
Kullanılan liflerin birbiriyle etkileşimleri kırılma enerjileri ve lif yüzdelerine
göre çizilen Şekil 4.10, Şekil 4.11 ve Şekil 4.12’de görülmektedir.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Kır
ılm
a e
ne
rjis
i (N
/m)
1 2 3
OL 6/16 (%)'desi
Z
R
Z+R
Şekil 4.10: OL 6/16 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle kullanımı.
Prizma Eğilme Deneyleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k(K
N)
R3 OZR
Z3
O3
P05
87
Şekil 4.10’da sol baştan başlayarak O1Z2, O1R2, OZR, O2Z1, O2R1 ve O3
numunelerinin kırılma enerjisi değerleri görülmektedir. Bu değerlerden görüldüğü
gibi 6 mm. uzunluğundaki OL 6/16’nın karışım içindeki yüzdesinin artmasıyla
kırılma enerjisinde düşüş meydana gelmektedir. OL 6/16 içeren karışımlar arasında
en yüksek kırılma enerjisi her 3 tip çelik lifden % 1 oranında kullanılan OZR
karışımından elde edilmiştir.
Şekil 4.11: ZP 305 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle kullanımı.
Şekil 4.11’de sol baştan başlayarak O2Z1, Z1R2, OZR, O1Z2, Z2R1 ve Z3
numunelerinin kırılma enerjisi değerleri görülmektedir. Bu değerlerden görüldüğü
gibi 30 mm. uzunluğundaki ZP 305’in karışım içindeki yüzdesinin artmasıyla kırılma
enerjisinde çok fazla bir değişiklik olmamaktadır. En düşük kırılma enerjisi değeri 6
mm.’lik OL 6/16 lifinin fazla kullanıldığı O2Z1’den elde edilmişken en yüksek
kırılma enerjisi de her 3 tip çelik lifden % 1 oranında kullanılan OZR karışımından
elde edilmiştir.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Kır
ılm
a e
nerj
isi (N
/m)
1 2 3
ZP 305 (%)'desi
O
R
O+R
88
Şekil 4.12: RC 65/60 liflerini içeren numunelerin diğer lif tipleriyle kullanımı.
Şekil 4.12’de sol baştan başlayarak O2R1, Z2R1, OZR, O1R2, Z1R2 ve R3
numunelerinin kırılma enerjisi değerleri görülmektedir. Bu değerlerden görüldüğü
gibi 60 mm. uzunluğundaki RC 65/60’ın karışım içindeki yüzdesinin artmasıyla
kırılma enerjisinde artma olmaktadır. En düşük kırılma enerjisi değeri 6 mm.’lik lifin
fazla kullanıldığı O2R1’den elde edilmişken en yüksek kırılma enerjisi de 60
mm.’lik lifin tek başına kullanıldığı R3’den elde edilmiştir. Uzun lif içeriğinin
artması kırılma enerjisinde artışa neden olmaktadır.
Design Expert Version 6.0.7 programı ile değişkenlerin analizi (Anova)
yöntemi kullanılarak çizilen Şekil 4.13’den de kırılma enerjisinin karma lif
yüzdelerinin değişmesiyle değişimi görülmektedir. Bu şekildeki üçgende, herbir
beton karışımının hangi noktaya denk geldiği Şekil 4.3’de verildiği gibidir. Üçgenin
3 köşesi tek tip çelik lif kullanılan karışımları temsil etmektedir. Liflerin uzunlukları
arttıkça kırılma enerjileri de artmaktadır. Üçgenin kenarları ise 2 farklı tipte çelik lif
kullanılan karışımları göstermektedir. Burada da boyu uzun olan liflerin karışımda
kullanılan yüzdelerinin artmasıyla kırılma enerjilerinin de doğru orantılı bir şekilde
arttığı görülmektedir. Üçgenin açıortaylarının kesim noktası ise 3 farklı tipte çelik lif
kullanılan beton karışımına karşı gelmektedir ve hazırlanan tüm karışımlar içinde
sadece 60 mm.’lik çelik liflerin kullanıldığı R3 numunesinden sonraki en yüksek
değere sahiptir.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Kır
ılm
a e
ne
rjis
i (N
/m)
1 2 3
RC 65/60 (%)'desi
O
Z
Z+O
89
Şekil 4.13: Kırılma enerjisinin lif tipine ve miktarına bağlı olarak değişimi.
Bu programa göre toplam % 3 çelik lif kullanıldığında kırılma enerjisi
açısından optimum sonuçları elde etmek için kullanılması gereken lif yüzdeleri ve
elde edilebilecek kırılma enerjisi değerleri Tablo 4.5’de görülmektedir.
Tablo 4.5: Maksimum kırılma enerjisi elde etmek için gereken lif yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) GF (N/m)
1 0.00 0.00 3.00 15285
4.3.2. Net Eğilme Dayanımlarının Değerlendirilmesi
Çelik lif takviyeli betonlar için en önemli özelik eğilme etkisinde
gösterdikleri yüksek dayanımdır. Çoğu uygulamalarda beton çeşitli eğilme yüklerine
maruz kalır. Lif katılması ile normal betonun eğilme direnci artırılır. Liflerle daha iyi
bağ yapan betonlarda eğilme direncinde artış yüksek olur. Her zaman için eğilme
dayanımındaki artış, basınç ve yarmada çekme dayanımından daha fazladır. Lif
miktarı ve narinliği bu artışta önemli rol oynar. Uzun lifler numune boyunca daha iyi
yönlenerek daha fazla dayanım artışına neden olurlar. Belli lif tipinde daha yüksek
narinlik oranına sahip olan lif, dayanımı daha çok artırır.
X1 = OL 6/16 X2 = ZP 305 X3 = RC 65/60
X1 (0.00) X2 (0.00)
5120
7735
10350
12964
15579
G F
OL 6/16 (% 3.00) X3 (0.00)
RC 65/60 (% 3.00)
ZP 305 (% 3.00)
90
Çelik lif içermeyen P05 numunesinde net eğilme dayanımı 7,10 N/mm2 iken
en yüksek olarak R3 numunesinde % 405 artış ile 35,82 N/mm2
en düşük olarak da
O3 numunesinde % 124 artış ile 15,91 N/mm2
değerlerine ulaşmıştır.
Her bir karışım için deney yapılan üç numunenin ortalamasından bulunan net
eğilme dayanımları Şekil 4.14’de görülmektedir. Bu sonuçlara göre benzer şekilde lif
boyunun artması ile eğilme dayanımlarının da arttığı karma lifli numunelerde ise 6
mm.’lik mezo lifin miktarının artırılmasının net eğilme dayanımlarını olumsuz
etkilediği görülmektedir. Ayrıca 2’si makro 1’i mezo olmak üzere 3 tip çelik lifin
birlikte kullanıldığı OZR numunesinin aynen kırılma enerjisinde olduğu gibi en
yüksek 2. değeri vermesi dikkat çekicidir. Bu sonuçlar kırılma enerjisi deneylerinden
elde edilen sonuçları doğrular niteliktedir.
Şekil 4.14: Net eğilme dayanımları ortalama değerleri.
Design Expert Version 6.0.7 programı yardımıyla çizilen Şekil 4.15’den net
eğilme dayanımlarının karma lif yüzdelerine göre değişimi görülmektedir Bu
şekildeki üçgende, herbir beton karışımının hangi noktaya denk geldiği daha önceden
Şekil 4.3’de verilmişti. Bu programa göre toplam % 3 çelik lif kullanıldığında net
eğilme dayanımları açısından optimum sonuçları elde etmek için kullanılması
gereken lif yüzdeleri ve elde edilebilecek yarmada çekme dayanımları değerleri
Tablo 4.6’da görülmektedir.
Net Eğilme Dayanımları(N/mm2)
7,18
35,82
23,22
15,91
27,69
18,15
24,6922,73
25,09 24,73
33,60
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
91
Şekil 4.15: Net eğilme dayanımlarının lif tipine ve miktarına bağlı olarak değişimi
Tablo 4.6: Maksimum net eğilme dayanımı elde etmek için gereken lif yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) ffnet (N/mm2)
1 0.00 0.00 3.00 33.6011
4.4. Elde Edilen Karakteristik Boyların Değerlendirilmesi
Çelik lif içermeyen P05 numunesinde karakteristik boy 88 mm iken en
yüksek olarak R3 numunesinde % 4349 artış ile 3915 mm, en düşük olarak da O2Z1
numunesinde % 1360 artış ile 1285 mm değerlerine ulaşmıştır. Karakteristik boylar
Şekil 4.16’da görülmektedir.
Betonda lch azaldıkça malzemenin daha gevrek bir davranış sergilediği
bilinmektedir [76]. Buna göre en sünek betonlar tek tip makro lifin kullanılan R3
serisi betonları iken en gevrek betonlar bir mezo bir makro lifin kullanıldığı O2Z1
serisi betonlarıdır. Yani, karışımda kullanılan kısa ve narinliği düşük liflerin
miktarının artmasıyla gevreklik artmakta, uzun ve narinliği büyük liflerin artmasıyla
ise malzeme daha sünek bir hale gelmektedir. Bu sonuçlar Bayramov ve
arkadaşlarının [77] yaptığı bir çalışmayla da uyum içindedir. Ayrıca 1 mezo 1 makro
lifin kullanıldığı karma lifli betonlarda lch, 2 farklı tip makro lifin kullanıldığı Z1R2
X1 =OL 6/16 X2 =ZP 305 X3 =RC 65/60
X1 (0.00)
ZP 305 (% 3.00)
X2 (0.00)
RC 65/60 (% 3.00)
14.5217
19.2915
24.0614
28.8313
33.6011
f fnet
et
OL 6/16 (% 3.00) X3 (0.00)
92
ve Z2R1 numunelerine göre daha az artmıştır. 2 makro ve 1 mezo lifin kullanıldığı
OZR numunesinden ise R3’den elde edilen değerden sonraki en yüksek değer elde
edilmiştir.
Karakteristik boy (mm)
88
3915
2678
1540
2098
1285
1732 1705
2483
2159
3147
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
P05 R3 Z3 O3 O1Z2 O2Z1 O1R2 O2R1 Z1R2 Z2R1 OZR
Şekil 4.16: Karakteristik boy değerleri.
Şekil 4.17: Karakteristik boyların lif tipine ve miktarına bağlı olarak değişimi.
Taşdemir [76], çelik lif içeren betonların karakteristik boylarının 5000-20000
arasında değişeceğini belirtmiştir. Aynı çalışmada silis dumanı eklenmesinin
X1 = OL 6/16 X2 = ZP 305 X3 = RC 65/60
X1 (0.00)
ZP 305 (3.00)
X2 (0.00)
RC 65/60(3.00)
555.155
1364.65
2174.15
2983.65
3793.14
lch
OL 6/16 (3.00)
X3 (0.00)
93
gevrekliği artırmasından dolayı karakteristik boyda belirgin bir düşüşe neden olacağı
belirtilmektedir. Bu çalışmada üretilen bütün beton karışımlarında silis dumanı
kullanıldığından karakteristik boylar literatürde belirtilen değerlerden düşük
çıkmıştır.
Design Expert Version 6.0.7 programı yardımıyla çizilen Şekil 4.17’den lch
değerlerinin karma lif yüzdelerine göre değişimi görülmektedir Bu şekildeki
üçgende, herbir beton karışımının hangi noktaya denk geldiği daha önceden Şekil
4.3’de verilmişti. Bu programa göre toplam % 3 çelik lif kullanıldığında karakteristik
boy açısından optimum sonuçları elde etmek için kullanılması gereken lif yüzdeleri
ve elde edilebilecek lch değerleri Tablo 4.7’de görülmektedir.
Tablo 4.7: Maksimum lch elde etmek için gereken lif yüzdeleri
No: OL 6/16(%) ZP 305(%) RC 65/60(%) lch (mm)
1 0.00 0.00 3.00 3793
2 0.78 1.01 1.20 3201
Design Expert Version 6.0.7 programı yardımıyla bu çalışmada üretilen
betonların incelenen 6 özeliğini maksimum yapabilecek optimum çözüm ve bu lif
yüzdeleri kullanıldığında elde edilebilecek değerler Tablo 4.8’de görüldüğü gibi elde
edilmiştir. Ama bu sonuçlar değerlendirilirken toplam 10 deney sonucundan elde
edilmiş sonuçlar olduğu da göz önünde bulundurulmalıdır.
Tablo 4.8: Toplam % 3 oranında 3 farklı tip çelik lif içeren betonlarda optimum lif
kullanım oranı ve bu betonun mekanik özelikleri
Karışımda kullanılan lif tipi OL 6/16 ZP 305 RC 65/60
Karışımda kullanılan lif yüzdesi 0.41 0.00 2.59
fc (N/mm2) E(N/mm
2) ft (N/mm
2) ffnet (N/mm
2) GF (N/m) lch (mm)
119.4 47756 15.0 30.4 13121 2973
94
5. GENEL SONUÇLAR
Betona hacimce % 3 oranında çelik lif eklenmesiyle kırılma enerjisi,
karakteristik boy ve net eğilme dayanımı başta olmak üzere basınç dayanımı,
elastisite modülü ve yarmada çekme dayanımlarında artışlar sağlanmıştır. Bu artışlar
karışımda kullanılan lif tiplerine ve yüzdelerine göre değişik oranlarda olmuştur.
Silindir basınç dayanımlarında çelik lif içermeyen betona göre %13-37,
elastisite modüllerinde % 3,2-12,9, yarmada çekme dayanımlarında %78-140,
kırılma enerjilerinde % 5289-16299, net eğilme dayanımlarında % 124-405 ve
karakteristik boylarda % 1360-4349 arasında artışlar elde edilmiştir.
Çelik lif içermeyen P05 numunesi gevrek bir şekilde kırılırken diğer
numuneler yüksek miktarda enerji yutarak, kontrollü bir şekilde ve uzun sürede
kırılmıştır. Böylece yüksek performanslı betonlarda önemli bir sorun olan gevrek
davranış ortadan kalkmış ve malzeme sünek bir davranış sergilemiştir.
Kırılma enerjisi, karakteristik boy ve net eğilme dayanımı makro lif
içeriğindeki artış ile artmakta, mezo lif içeriğindeki artış ile azalmaktadır. En yüksek
kırılma enerjisi, karakteristik boy ve net eğilme dayanımı, narinliği ve boyu en büyük
lif ile üretilen numuneden elde edilmiştir. Bunu bir tip mezo ve iki tip makro lif
içeren numune izlemektedir. En düşük değerler ise narinliği ve boyu en küçük lifi
yüksek oranda içeren numunelerden elde edilmiştir.
En yüksek kırılma enerjisi ve net eğilme dayanımı boyu ve narinliği en büyük
olan lif ile üretilen numuneye ait iken, en yüksek ilk çatlak dayanımı bir tip mezo iki
tip makro lifi birlikte içeren numuneden elde edilmiştir. Aynı zamanda en yüksek
elastisite modülü de bu numuneden elde edilmiştir.
Betona çelik lif eklenmesiyle basınç dayanımı artmaktadır, Bu artışlar en
fazla mezo ve makro lifin birlikte kullanıldığı karma lifli numunelerde olmuş, 2
farklı tipte makro lif kullanılmasının ise fazla bir etkisi olmamıştır.
95
En yüksek yarmada çekme dayanımları mezo ve makro lifleri birlikte içeren
numunelerden elde edilmiştir.
Farklı boyut ve narinliğe sahip olan çelik lifler betonun mekanik özeliklerinin
iyileştirilmesinde farklı oranlarda katkıda bulunmaktadır. Kullanılan lif tipine bağlı
olarak beton özeliklerindeki değişikliklerin saptanması ile karma lif içeren çimento
esaslı kompozitlerin mekanik davranışlarını daha iyi anlamak mümkün olabilecektir.
96
KAYNAKLAR
[1] Rossi Pierre, 2000. Ultra High Performance Fibre Reinforced Concretes
(UHPFRC):An overview, Fifth RILEM Symposium on Fibre-Reinforced Concretes,
Lyon, France, September 13-15.
[2] Taşdemir, M.A. ve Özkul, M.H., 2002. Betonarme yapılarda onarım ve
güçlendirme malzemeleri, Yapıların Onarım ve Güçlendirilmesi Alanında Gelişmeler
Konulu Prof. Dr. Kemal Özden’i Anma Semineri. İstanbul Teknik Üniversitesi,
İnşaat Fakültesi, İstanbul,10 Mayıs.
[3] Akman, M.S., 2001.Yüksek Performanslı Betonların Teknolojisi Özellikleri,
Sorunları, Geleceği, Türkiye İnşaat Mühendisliği XVI. Teknik Kongre ve Sergisi,
ODTÜ Kültür ve Kongre Merkezi, Ankara, 1-3 Kasım.
[4] http://www14.brinkster.com/dhrub/1.htm#3. Historical Background
[5] Russell, H.G., 1999. Why use high-performance concrete, Concrete
Products, Mar 1, 1999, 121-122.
[6] Bonneau, O., Lachemi, M., et. all. 1997. Mechanical Properties and Durability
of Two industrial Reactive Powder Concretes, ACI Materials Journal, V.94-M33,
No: 4 July-August, pp. 286-290.
[7] Qian, C. and Stroeven, P., 2000. Development of Hybrid Polypropylene-Steel
Fibre-Reinforced Concrete, Cement and Concrete Research, 30, 63-69.
[8] Acun, S., 2000. Yüksek Dayanımlı Beton Üretiminde Dizayn Parametresi Olarak
Lifsel Katkıların İrdelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü,
İstanbul.
[9] Ersoy, H.Y., 2001. Kompozit malzeme, Literatür yayınları:66, İstanbul, Türkiye.
[10] Chawla, K.K., 1998. Fibrous Materials, Cambridge University Press, United
Kingdom.
[11] Bunsell, A., R., 1988. Fibre Reinforcements For Composite Materials, Vol:2
Composite Materials Series, Elseiver Science, The Netherlands.
[12] Biber, Ş. A., 2001. Karmaşık Çelik Tel Takviyeli Betonların Mekanik
Davranışı, Bitirme Ödevi, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi, İstanbul.
[13] Shah, S.P. and Balaguru, P.N., 1992. Fiber-Reinforced Cement Composites,
McGraw-Hill Inc., Singapore.
97
[14] Bartos, P., 1992. Fresh Concrete-Properties and Tests, Elsevier Science
Publishers B.V, Amsterdam.
[15] ASTM A 820, 1996. Standart Specification for Steel Fibers for Fiber-
Reinforced Concrete, The American Society for Testing and Materials, USA.
[16] Özyurt, N., 2000. Ultra Yüksek Dayanımlı Çimento esaslı Kompozitlerin
Mekanik Davranışı, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[17] TS 10513, 1992. Çelik teller-beton takviyesinde kullanılan, Türk Standartları
Enstitüsü, Ankara.
[18] Vural, T., 1998. Fiberli Betonun Basınç Dayanımına Etkisi, Bitirme Ödevi,
İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi, İstanbul.
[19] Barbero, E.J., 1999. Introduction to Composit Materials Design, Edwards
Brothers, Ann Arbor, MI, USA.
[20] Zollo, R.F., 1997. Fibre-reinforced Concrete: an Overview after 30 years of
Development, Cement and Concrete Composites, 19, pp. 107-122.
[21] ASTM C 1116, 1997. Standart Specification for Fiber-Reinforced Concrete and
Shotcrete, The American Society for Testing and Materials, USA.
[22] http://www.nrc.ca/irc/cbd/cbd223e.html
[23] Soroushian, P. and Bayasi, Z., 1991. Fibre-Type Effects on the Performance of
Steel Fibre Reinforced Concrete, ACI Materials Journal, V. 88, No. 2, March-April.
[24] Betterman, L.R., Ouyang, C., Shah, S.P., 1995. Fiber-Matrix Interaction in
Microfiber-Reinforced Mortar, Adv. Cem. Bas. Mat., 2, pp 53-61.
[25] Lange, D.A., Ouyang, C., and Shah S.P., 1996. Behavior of Cement Based
Matrices Reinforced by Randomly Dispersed Microfibers, Adv. Cem. Bas. Mat.,
1996-3, pp 20-30.
[26] Chanvillard, G., Aitcin, P.C., 1996. Pull-Out Behavior of Corrugated Steel
Fibers, Adv. Cem. Bas. Mat., 1996-4, pp 28-41.
[27] Issa, M.A., Shafiq, A.B. and Hammad, A.M., 1996. Crack Arrest in Mortar
Matrix Reinforced with Unidirectionally Aligned Fibers, Cement and Concrete
Research, Vol 26, No:8, 1245-1256.
[28] Eren, Ö., and Çelik, T., 1997. Effect of Silica Fume and Steel Fibers on Some
Properties of High-Strength Concrete, Construction and Building Materials, Vol 11,
No 7-8, pp. 373-382.
[29] Akman, S., 1987. Yapı Malzemeleri, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul.
98
[30] Fanella, D.A., Naaman A.E., 1985. Stress-strain properties of fiber reinforced
mortar in compression. ACI Journal, 82(4), 475-483.
[31] Ezeldin, A.S., Balaguru, P.N., 1992. Normal and high strength fiber reinforced
concrete under compression. Journal of Materials in Civil Engineering, 4(4), 415-27.
[32] Nataraja, M.C., Dhang, N. and Gupta, A.P., 1999. Stress-strain curves for
steel-fiber reinforced concrete under compression. Cement and Concrete
Composites, Vol 21, pp. 383-390.
[33] Ding, Y. and Kusterle, W., 2000. Compressive stress±strain relationship of
steel fibre-reinforced concrete at early age, Cement and Concrete Research, Vol 30,
pp. 1573-1579.
[34] ASTM C 1018-97, 1997. Standart Test Method for Flexural Toughness and
First-crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point
Loading), American Society of Testing and Materials, USA.
[35] JCI-SF4, 1984. Method Of Tests for Flexural Strength and Flexural Toughness
of Fiber Reinforced Concrete, Japan Concrete Institute.
[36] TS 10515, 1992. Beton-Çelik Tel Takviyeli- Eğilme Mukavemeti Deney
Metodu, Türk Standartları Enstitüsü. Ankara.
[37] Banthia, N. and Trottier, J.F., 1995. Test Methods for Flexural Toughness
Characterization of Fiber Reinforced Concrete: Some Concerns and a Proposition,
ACI Materials Journal, V 92, No 1, 48-57.
[38] Cangiano, S., Cucitore, R., Plizzari, G.A., 2002. A new Proposal for the
Evaluation of Fracture Properties of Steel Fiber Reinforced Concrete, 6th
International Symposium on High Strength/High Performance Concrete, Volume 2,
Leipzig, 16-20 June 2002, s 873-886.
[39] Wang, Y. and Backer, S., 1989. Toughness determination for fibre reinforced
concrete, Int. J. Cement Compos. And Lightweight Concrete, 11(1), February 1989,
11-19.
[40] RILEM 50 FMC, 1985. Determination of The Fracture Energy of Mortar and
Concrete By Means of Three-Point Bend Tests On Notched Beams, RILEM Draft
Recommendation, Mater. Struct., 18(106) . pp 285-290.
[41] Padmarajaiah, S.K., Ramaswamy, A., 2002. A finite element assessment of
flexural strength of prestressed concrete beams with fiber reinforcement, Cement and
Concrete Composites, 24, pp. 229-241.
[42] Chunxiang, Q., Patnaikuni, I., 1999. Properties of high strength steel fiber
reinforced concrete beams in bending, Cement and Concrete Composites, 21, pp. 73-
81.
99
[43] Li, Z., Li, F., Chang, T.Y.P. and Mai, Y.W., 1998. Uniaxial tensile behaviour
of concrete reinforced with randomly distributed short fibers, ACI Materials Journal,
95-M54, September-October 1998, 564-574.
[44] Pierre, P., Pleau, R. and Pigeon, M., 1999. Mechanical properties of steel
microfiber reinforced cement pastes and mortars, Journal of Materials in Civil
Engineering, November 1999, pp. 317-324.
[45] Taylor, M., Lydon, F.D., and Barr, B.I.G., 1997. Toughness Measurements
on Steel Fibre-Reinforced High Strength Concrete, Cement & Concrete Composites,
19, 329-340.
[46] Banthia, N., Mindess, S. and Trottier, J.F., 1996. Impact resistance of steel
fiber reinforced concrete, ACI Materials Journal, 93-M54, September-October
1996, 472-479.
[47] Arslan, A., 1999. Lifli betonların darbe etkisi altında genel özellikleri, Beksa
Sempozyum Notları, Sabancı Center.
[48] Marar, K., Eren, Ö. and Çelik, T., 2001. Relationship Between Impact Energy
and Compression Toughness Energy of High Strength Fiber-Reinforced Concrete,
Materials Letters, 47, 297-304.
[49] Yan, H., Sun, W. and Chen, H., 1999. The effect of silica fume and steel fiber
on the dynamic mechanical performance of high-strength concrete, Cement and
Concrete Research, 29, 423–426.
[50] Almansa, E.M. and Cánovas, M.F., 1999. Behaviour of normal and steel
fiber-reinforced concrete under impact of small projectiles, Cement and Concrete
Research, 29, 1807–1814.
[51] Luo, X., Sun, W. and Chan, S.Y.N., 2000. Characteristics of high-performance
steel fiber-reinforced concrete subject to high velocity impact, Cement and Concrete
Research, 30, 907-914.
[52] Wang, N., Mindess, S. and Ko, K., 1996. Fibre reinforced concrete beams
under impact loading, Cement and Concrete Research, Vol. 26, No. 3, pp. 363-376.
[53] Nataraja, M.C., Dhang, N. and Gupta, A.P., 1999. Statistical variations in
impact resistance of steel fiber-reinforced concrete subjected to drop weight test,
Cement and Concrete Research, 29, 989–995.
[54] Wei, S., Jianming, G. and Yun, Y., 1996. Study of the fatigue performance
and damage mechanism of steel fiber reinforced concrete, ACI Materials Journal,
93-M23, May-June, 206-212.
[55] Cachim, P.B., Figueiras, J.A. and Pereira, P.A.A., 2002. Fatigue behavior of
fiber-reinforced concrete in compression, Cement & Concrete Composites, 24, 211–
217.
100
[56] Kurtz, S. and Balaguru, P., 2000. Postcrack creep of polymeric fiber-
reinforced concrete in flexure, Cement and Concrete Research, 30, 183–190.
[57] Walraven J., 1999. The Evolution of Concrete, Structural Concrete, P1. No. 1,
March, pp.3-11.
[58] Ulm, F.-J., Fire in Transport Tunnel/Research on Rapidly Heated Concrete,
http://cist.mit.edu/projects/fire.htm.
[59] Toutanji, H.A., 1999. Properties of polypropylene fiber reinforced silica fume
expansive-cement concrete, Construction and Building Materials, 13, 171-177.
[60] Yao, W., Li, J. and Wu,K., 2002. Mechanical properties of hybrid fiber-
reinforced concrete at low fiber volume fraction, Cement and Concrete Research,
2157, 1–4.
[61] Banthia, N. and Nandakumar, N., 2003. Crack growth resistance of hybrid
fiber reinforced cement composites, Cement & Concrete Composites, 25, 3–9.
[62] Mobasher, B., and Yu Li, C., May-June 1996. Mechanical Properties of
Hybrid Cement-Based Composites, ACI Materials Journal, 93-M32, 284-292.
[63] Banthia, N., Yan, C. and Bindiganaville, V., 2000. Development and
Application of High Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete, Fifth RILEM
Symposium on Fibre-Reinforced Concretes (FRC), Lyon, France, September 13-15.
[64] Kim, N.W., Saeki, N. and Horiguchi, T., 1999. Crack and Strength Properties
of Hybrid Fiber Reinforced Concrete At Early Ages, Transactions of The Japan
Concrete Institute, Vol 21, 1999.
[65] Sato, Y., Van Mier, J.G.M., and Walraven, J.C., Mechanical Characteristics
of Multi-Modal Fiber Reinforced Cement Based Composites.
[66] Soroushian, P., Elyamany, H., Tliili, A., and Ostowari, K., 1998. Mixed
Mode Fracture Properties of Concrete Reinforced with Low Volume Fractions of
Steel and Polypropylene Fibers, Cement & Concrete Composites, 20, 67-78.
[67] Sun, W., Chen, H., Luo, X. and Qian, H., 2001. The effect of hybrid fibers
and expansive agent on the shrinkage and permeability of high-performance
concrete, Cement and Concrete Research, 31, 595±601.
[68] Komlos, K., Babal, B. and Nürnbergerova, T., 1995. Hybrid fiber-reinforced
concrete under repeated loading, Nuclear Engineering and Design, 156, 195-200.
[69] Yeğinobalı, A., 2002. Silis Dumanı ve Çimento ile Betonda Kullanımı,
TÇMB/AR-GE Enstitüsü, Ankara.
[70] TS 3529, 1980. Beton Agregalarının Birim Ağırlıklarının Tayini, Türk
Standartları Enstitüsü. Ankara.
101
[71] TS 3526, 1980. Beton Agregalarında Özgül Ağırlık ve Su Emme Oranı Tayini,
Türk Standartları Enstitüsü. Ankara.
[72] TS 706, 1980. Beton Agregaları, Türk Standartları Enstitüsü. Ankara.
[73] Barros, J.A.O. and Figueiras, J.A., 1999. Flexural behaviour of SFRC: testing
and modeling, Journal of Materials in Civil Engineering, November, 331-339.
[74] Taşdemir, M.A. ve Bayramov, F., 2002. Yüksek performanslı çimento esaslı
kompozitlerin mekanik davranışı, itü dergisi/d mühendislik, Cilt 1 sayı 2, Ekim
2002.
[75] Bayramov, F., Mestanzade, N., Taşdemir, C. ve Taşdemir, M.A., 2001.
“Çimento Esaslı Kompozit Malzemelerin Optimum Tasarımı”, XII Ulusal Mekanik
Kongresi, 9-14 Eylül 2001, Konya.
[76] Tasdemir, C., 1995. Agrega-Çimento hamuru arayüzeyi mikroyapısının yüksek
mukavemetli betonların kırılma parametrelerine etkisi, Doktora tezi, İ.T.Ü. Fen
Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
[77] Bayramov, F., Tasdemir, C., Tasdemir, M. A., In press. Optimisation of steel
fibre reinforced concretes by means of statistical response surface method.
102
EKLER
EK A: Silindir basınç deneylerinden elde edilen gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 1.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen P05 numunelerine ait gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 2.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen OZR numunelerine ait gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri
103
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 3.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen R3 numunelerine ait gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 4.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z3 numunelerine ait gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 5.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O3 numunelerine ait gerilme-
şekildeğiştirme grafikleri
104
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 6.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O1Z2 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 7.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O2Z1 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 8.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O1R2 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
105
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 9.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen O2R1 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 10.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z1R2 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
0
20
40
60
80
100
120
0 0,001 0,002 0,003 0,004
Şekildeğiştirme
Ger
ilm
e(M
Pa)
1 2 3
Şekil A. 11.: Silindir basınç deneylerinden elde edilen Z2R1 numunelerine ait
gerilme-şekildeğiştirme grafikleri
106
EK B: 3 Noktalı Eğilme Deneylerinden Elde Edilen Yük-Sehim Grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 1.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen P05 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 2.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen OZR numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
107
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 3.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen R3 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 4.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z3 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
Şekil B. 5.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O3 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
108
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 6.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O1Z2 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 7.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O2Z1 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 8.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O1R2 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
109
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 9.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen O2R1 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 10.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z1R2 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
Sehim (mm)
Yü
k (
KN
)
1 2 3
Şekil B. 11.: 3 noktalı eğilme deneylerinden elde edilen Z2R1 numunelerine ait yük-
sehim grafikleri
110
EK C:Kırılma Enerjileri
Tablo C. 1.:Prizma numunelerden elde edilen kırılma enerjileri
Numune
adı Kırılma enerjileri(Nm) Ortalama
P05-1
P05-2 95
P05-3
R3-1 18867
R3-2 12355 15579
R3-3 15515
Z3-1 11620
Z3-2 10253 9560
Z3-3 6806
O3-1 4546
O3-2 4547 5120
O3-3 6267
O1Z2-1 9044
O1Z2-2 9916 9303
O1Z2-3 8948
O2Z1-1 4346
O2Z1-2 4713 5128
O2Z1-3 6326
O1R2-1 8405
O1R2-2 9123 9968
O1R2-3 12377
O2R1-1 6736
O2R1-2 7778 7425
O2R1-3 7760
Z1R2-1 14967
Z1R2-2 7212 10114
Z1R2-3 8162
Z2R1-1 10251
Z2R1-2 6991 9224
Z2R1-3 10430
OZR-1 10670
OZR-2 11987 12220
OZR-3 14004
111
EK D: Net Eğilme Dayanımları
Tablo D. 1.: Prizma numunelerden elde edilen net eğilme dayanımları.
Numune
adı
Eğilme
dayanımları(N/mm2) Ortalama
P05-1 7.63
P05-2 7.70 7.18
P05-3 6.22
R3-1 43.49
R3-2 28.82 35.82
R3-3 35.14
Z3-1 26.86
Z3-2 24.95 23.22
Z3-3 17.84
O3-1 14.5
O3-2 13.76 15.91
O3-3 19.48
O1Z2-1 27.82
S1Z2-2 27.48 27.69
S1Z2-3 27.78
O2Z1-1 15.28
O2Z1-2 16.09 18.15
O2Z1-3 23.08
O1R2-1 21.63
O1R2-2 26.23 24.69
O1R2-3 26.21
O2R1-1 22.43
O2R1-2 23.41 22.73
O2R1-3 22.36
Z1R2-1 30.05
Z1R2-2 20.1 25.09
Z1R2-3 25.13
Z2R1-1 25.3
Z2R1-2 19.4 24.73
Z2R1-3 29.5
OZR-1 32.85
OZR-2 30.92 33.60
OZR-3 37.04
112
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O1Z2 O1R2 OZR
EK E: Kırılma Enerjilerinin farklı şekillerde gözlenmesi.
Şekil E.1.: % 1 OL 6/16 içeren numunelerin kırılma enerjisi
Şekil E.2.: % 1 ZP 305 içeren numunelerin kırılma enerjisi
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O2R1 Z2R1 OZR
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O2Z1 Z1R2 OZR
113
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O2Z1 O2R1
Şekil E.3.: % 1 RC 65/60 içeren numunelerin kırılma enerjisi
Şekil E.4.: % 2 OL 6/16 içeren numunelerin kırılma enerjisi
Şekil E.5.: % 2 ZP 305 içeren numunelerin kırılma enerjisi
Şekil E.6.:% 2 RC 65/60 içeren numunelerin kırılma enerjisi
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O1Z2 Z2R1
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
O1R2 Z1R2
114
EK F: Fotoğraflar
Şekil F. 1.:Taze betonda çökme deneyi
Şekil F. 2.:Üretilen beton numunelerin kür havuzunda saklanması
115
Şekil F. 3.:Silindir basınç deneylerini yapmada kullanılan 500 tonluk Amsler marka
yükleme makinası.
Şekil F. 4.: Silindir basınç deneyi düzeneği
116
Şekil F. 5.: Silindir yarmada çekme deneylerini yapmada kullanılan 1000 kN’luk
Amsler marka yükleme makinası
Şekil F. 6.: Silindir yarmada çekme deneyi düzeneği
117
Şekil F. 7.: 3 noktadan yüklemeli eğilme deneyi düzeneği
118
ÖZGEÇMİŞ
Özgür EKĠNCĠOĞLU, 1975 yılında Eskişehir’de doğdu. Ġlk, orta ve lise
eğitimini Kayseri’de tamamladı. 1994 yılında Ġ.T.Ü. Ġnşaat Fakültesi Ġnşaat
Mühendisliği Bölümüne girdi. 1994-1995 öğretim yılında Ġ.T.Ü. Ġngilizce Hazırlık
Bölümünü tamamlayarak, 1995 yılında başladığı lisans öğrenimini 1999 yılında
tamamladı. 1999-2001 yılları arasında çeşitli özel sektör firmalarında çalıştı. 1999
yılında Ġ.T.Ü. Ġnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi Anabilimdalı’nda yüksek lisans
öğrenimine başladı ve 2002’de bu bölüme araştırma görevlisi olarak atandı. Halen bu
görevine devam etmektedir.
