lifli hafif betonların optimum karışım tasarımı

LİFLİ HAFİF BETONLARIN OPTİMUM KARIŞIM TASARIMIBengi ARISOY 1arisoyb@eng.ege.edu.trÖz: Bu bildiride, rasgele dağıtılmış kısa Polyvinyl alcohol (PVA) liflerle donatılandırılmışyapay hafif agregalar (cenosphere) kullanılarak üretilmiş betonların dayanımlarının vesünekliğinin arttırılması için en uygun malzeme karışımının yada optimum malzemekarışımının (optimal mix design) performansa dayalı tasarım yöntemi kullanılarakbelirlenmesi üzerine bir çalışma sunulmuştur. Performansa dayalı optimum malzemekarışım analizinde, çeşitli yükler altında malzemeden beklenen davranışın öncedenbelirlenip, bu doğrultuda değişik ölçütlerde en iyi karışım belirlenir. Bu çalışmada yüksekmertebelerde süneklik gösteren bir malzeme elde etmek hedeflenmiştir. Yöntem olarakkırılma mekaniğinden yararlanılmıştır. Normal betona kıyasla düşük dayanımlı olan hafifbetonun rasgele dağıtılmış kısa liflerle donatılandırıldığı taktirde sünekliğinin yanı sıraeğilme dayanımında önemli ölçülerde, hafif beton ile kıyaslandığında basınç dayanımındaaz ölçülerde artış kaydedilmiştir. Bu çalışmada hazırlanan lif hacim fraksiyonu 0.015 olanPVA lifli, yapay hafif agregalı beton birim ağırlığında normal betona kıyasla yüzde 30 ile120 oranında azalma, buna karşılık eğilme gerilmesinde yüzde 50 ile 250 oranında artışlarkaydedilmiştir.Anahtar Kelimeler: Fiber, Fiber Reinforced Composites, Lightweight Concrete, Lifli Beton, Hafif Beton, FractureMechanicsGirişTürkiye’de lifli beton aktif olarak asbestli çimento olarak güncel yaşamımıza girmiştir. Asbestin kanserojen olmasıdolayısı ile asbestli çimento çok hızlı bir şekilde yerini alternatif liflerle donatılandırılmış çimento ya da çimentokarışımlarına bırakmıştır. Çelik lifler, doğal lifler (talaş ya da rendelenmiş ağaç, yün, keten ya da pamuk lifler), yapaylifler (cam yünü, pilastik kökenli lifler) gibi malzemeler beton içine eklenecek lif olarak kullanılmaktadır. Rasgeledağıtılmış kısa liflerle donatılandırılmış betonların yada kompozitlerin iki türlü uygulaması vardır: 1) kısa lifler rasgeleçimento pastasının içine karıştırılır, agrega, kum gibi betonu oluşturan malzemelerden biri olarak kullanılır ve bununlaoluşturulan yapı elemanı geleneksel olarak donatılandırılır, 2) rasgele beton içine karıştırılmış lifler doğrudan donatıolarak kullanılır, başka bir donatı kullanılmaz. Bu bildiride 2. uygulama konusu işlenmiştir.Rasgele dağıtılmış kısa liflerle donatılandırılmış çimento pastası yada beton karışımları, normal betondan farklı olarak,sadece çimento, kum, su, lifler ve çeşitli katkı malzemeleri kullanılarak imal edilirler. Tasarlanacak olan elemanın en iyimalzeme ve mekanik özelliklere sahip olması için, kullanılan malzeme miktarını ve özelliklerini dikkate alarak yapılançalışma sonucu elde edilen karışıma ‘iyileştirilmiş beton’ (ECC-Engineered Cementitious Composites) denilmektedir.Normal beton çekme dayanımı düşük olmasının yanı sıra oldukçada kırılgan bir elemandır. Buna karşılık lifli beton(iyileştirilmiş beton) içinde kullanılan liflerin sayesinde, beton çekme dayanımı artmakta dolayısı ile daha sünek birmalzeme haline gelmektedir. Gerek hafifliği gerekse yalıtım özelliği dolayısı ile hafif betonlar yapı dış cephe ve içduvarlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda hafif betonun uygulama alanları hızla artmaktadır. Büyükaçıklıklı çatı örtüleri ve yüzer dalgakıran bu uygulamalardan bazılarıdır. Ancak normal betona göre oldukça zayıf olanhafif betonun, uygulama alanlarında ki ihtiyaca karşılık verebilmesi için mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gereğiortaya çıkmıştır. Böylece lifli hafif beton konusunda çalışmalar hızlanmıştır. Hafif betonun taşıyıcı eleman olmasını dahedefleyen tasarımlar oluşmuştur. Bu bildiride PVA liflerle donatılandırılmış, yapay, içi boş, yuvarlak agregalar ilehafifleştirilmiş lifli hafif betonun malzeme ve mekanik özellikleri incelenecektir.Performansa Dayalı TasarımPerformansa dayalı tasarım oldukça kırılgan olan betonun liflerle donatılandırılarak istenilen oranda sünek halegetirilmesi esasına dayanmaktadır. Betonun kırılma mekanizması ilk çatlağın oluşmasıyla tamamlanmaktadır. Kısa ve912

astgele dağıtılmış liflerle donatılandırılmış betonda ise kırılma mekanizması bir çok paralel çatlağın oluşması iletamamlanır. Beton içinde, gerek priz anında oluşan mikro çatlaklar gerek içsel gerilmelerden oluşan çatlaklar, elemançalışmaya ve yük almaya başladıktan sonra büyümeye başlayacaktır. Çatlak, beton içinde ilerlerken liflerlekarşılaştığında, çatlağın ilerlemesini sağlayan gerilme enerjisi liflere aktarılacak ve lifler tarafından karşılanmayabaşlayacak, lif bu enerjiyi karşılayamadığı anda ya kopacak ya da betondan sıyrılacaktır. Lif koptuktan yada sıyrıldıktansonra, gerilme enerjisi tekrar betona aktarılacak, çatlak bir sonraki lifle karşılaşıncaya kadar ilerlemeye devamedecektir. Bu işlem yük arttıkça tekrarlanacak ve elemanda paralel çatlaklar oluşacaktır. Nihai kırılma gerçekleşinceyekadar elemanda oluşan paralel çatlaklar elemanın sünekleştiğinin göstergesidir. Normal beton ile lifli betonların yükdeplasmaneğrisine bakıldığında, ilk çatlak oluştuktan sonra normal beton derhal kırılacak, ancak lifli beton yük almayadevam edecek, hatta eğilme dayanımının artığı görülecektir (Bentur ve Mindess, 1990).Malzemenin sünekliği ve süneklik miktarı, eklenecek olan liflerin malzeme özellikleri, miktarı (lif hacim fraksiyonu),matris ile etkileşimi yani matris-lif arasındaki bağ kuvvetleri ve kompozitin enerji yutma kapasitesine bağlıdır.Kompozitin enerji yutma kapasitesi ise matris kırılma dayanımı (K m ) ve elastisite modülünün bir fonksiyonudur. Birbaşka deyişle kompozit energi yutma kapasitesi, liflerin ve matrisin malzeme ve mekanik özelliklerine bağlı olarakbelirlenebilir. Buna bağlı olarak da hedeflenen süneklik için lif hacim fraksiyonu belirlenebilir. Bu belirtilen esaslarçerçevesinde ikici aşama olarak, hazırlanan kompozitin mekanik özellikleri test edilerek ölçülebilir. Bu bildiriyioluşturan çalışmada, sünek bir kompozit elde etmek için kullanılması gereken lif miktarı (lif hacim fraksiyonu), teorikolarak Li ve arkadaşları (Li, 1992; Li and Leung, 1992; Li and Wu, 1992) tarafından 1990’lı yıllarda ortaya atılanperformansa dayalı tasarım yöntemi kullanılarak elde edilmiş ve aşağıda gösterilen eşitlik kullanılmıştır.12G tipV f crit = ⎯⎯⎯⎯ E f (d f /L f ) 2 (1+η) (1)g τ 2 L fburada G tip kompozit enerji yutma kapasitesi, g = 2(1 + e πf/2 )/(4 + f 2 ) (germe faktörü), f germe katsayısı, τ bağ gerilmesi,L f lif uzunluğu, d f lif çapı, η=V f E f / (1-V f ) E m ; V f lif hacim fraksiyonu, E f lif elastisite modülü, ve E m matris elastisitemodülüdür. Bu formülde, germe faktörü, matris ve lif elastisite modülü ve lif fiziksel özellikleri sabit olacak şekilde,kompozit enerji yutma kapasitesi, lif hacim fraksiyonu ve bağ gerilmesinin bir fonksiyonu olarak elde edilebilir vegrafik olarak gösterilebilir. Lif hacim fraksiyonu- bağ gerilmesi grafiği Şekil 1’de gösterilmiştir. Elde edilen bugrafikten çeşitli bağ gerilmesi ve kompozit enerji yutma kapasiteleri için lif hacim fraksiyonu belirlenir. Böylece sünekbir malzeme için gerekli lif miktarı matris ve lif özelliklerine bağlı olarak tespit edilmiş olur.Kritik Lif Hacim Fraksiyonu,Vfcrit0.060.050.040.030.020.010.000.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4Bag Gerilmesi (MPa)Gtip=0.07 kJ/m2Gtip=0.06 kJ/m2Gtip=0.05 kJ/m2Gtip=0.04 kJ/m2Gtip=0.03 kJ/m2Gtip=0.025 kJ/m2Şekil 1. Kritik Lif Hacim Fraksiyonu, V fcrit,- Bağ Gerilmesi Grafiği (E f =40GPa, L f =15 mm, d f =0.037 mm, g=2.0,E m =15 GPa) (Arisoy,2002)Deneysel Çalışmaİlk aşamada; hafif, yüksek performanslı, ve sünek bir malzeme elde edebilmek için optimal karışım oranları üzerineçalışılmıştır. Bu amaçla ilk olarak kırılma dayanımı test numulereleri hazırlanmış ve test edilmiştir. Test sonuce eldeedilen matris kırılma gücünden (fracture toughness) kompozit kırılma gücü (enerji yutma kapasitesi- kompozit fracturetoughness) belirlenmiş ve en düşük bağ kuvveti için gerekli lif miktarı Şekil 1’de verilen grafikten belirlenmiştir.913

Belirlenen lif hacim fraksiyonu ile hazırlanan eğilme numuneleri ikinci aşama olarak üç noktalı eğilme testi ile testedilmiştir. Sonuçlar yorumlanarak en iyi karışım kompozisyonları tespit edilmiştir.Kullanılan MalzemelerBu çalışmada kullanılan malzemeler:Portland çimentosu, özgül ağırlığı 3.150 g/cm 3 ,uçucu kül, özgül ağırlığı 2.60 g/cm 3 ve partikül çapı 50 ila 150 µm,silika tozu, özgül ağırlığı 1.34 g/cm 3 ve partikül çapı 0.1 ila 1 µm,içi boş, yuvarlak şekilli yapay agrega, özgül ağırlığı 0.640 g/cm 3 ve partikül çapı 300 µm, Sphere Services Inc.,tarafından üretilmiş,polyvinyl alcohol (PVA) lifler, özgül ağırlığı 1.30 g/cm 3 , uzunluğu 15 mm, çapı 37 µm ve elastisite modülü 40 GPa,Kuraray Co., tarafından üretilmiş,sıvılaştırıcı katkı maddesi (superplastizer, Daracem-100 SP), özgül ağırlığı 1.1 g/cm 3 , Grace Cons. Products, Inc.,tarafından üretilmiş.Yapılan DeneylerSünek bir malzeme elde edebilmek için optimal olarak gerekli lif miktarı belirlendikten sonra test yapılma aşamasınageçilebilir. Bu bildiriyi oluşturan çalışmada üç tür test yapılmıştır: 1) kırılma, 2) üç noktalı eğilme ve 3) basınç deneyi.Matris kırılma deneyi, kompozit enerji yutma kapasitesini, eğilme deneyi kompozit sünekliliğini ve liflerin eğilmedayanımına katkısını, basınç deneyi ise liflerin basınç dayanımına katkısını belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir.Deneyler 98000 N kapasiteli MTS hidrolik test makinası ile yapılmıştır.Numune BoyutlarıKırılma dayanımı için numuneler 305 mm uzunluğunda, 63.5 mm yüksekliğinde, 32 mm kalınlığındadır ve numuneninortasında numune hazırlanırken 10 mm derinliğinde bir çatlak oluşturulmuştur. Eğilme dayanımı için 305 mmuzunluğunda, 76 mm genişliğinde ve 13 mm kalınlığında numuneler hazırlanmıştır. Basınç dayanımları için 102 mmçapında ve 203 mm yüksekliğinde silindirler hazırlanmıştır.Karışım KompozisyonlarıBütün hafif agregalı numuneler için oluşturulan karışım kompozisyonları Tablo 1’de verilmiştir. Bütün beçlere 0.02oranında sıvılaştırıcı, eğilme dayanımı testleri için bütün beçlere lif hacim fraksiyonu 0.015 olan PVA lifler eklenmiştir.Tablo 1. Hafif Beton Karışım KompozisyonlarıNumuneHafif Uçucu Silika Yoğunluk KmÇimentoAdıAgrega Kül Tozu (g/cm3) (MPa-m1/2)LWA1 1.0 0.2 0.2 0.0 1.5~1.6 0.19~0.28LWA2 1.0 0.4 0.2 0.0 1.2~1.55 0.21~0.23LWA3 1.0 0.6 0.2 0.0 1.02~1.2 0.13LWA4 1.0 1.0 0.2 0.0 0.7~0.9 0.098~0.06LWA5 1.0 0.4 0.2 0.1 1.18~1.2 0.1751LWA6 1.0 0.4 0.1 0.1 1.3~1.31 0.2282Su-Çimento OranlarıKullanılan hafif agreganın kendi bünyesinde çok miktarlarda su tutması nedeniyle, karışım içindeki agrega miktarıarttıkça eklenecek su miktarıda artacaktır. Bundan dolayı bütün beçler için sabit yada yaklaşık olarak sabit bir çimentosuoranı mevcut değildir. Ancak beçler arası uyumu sağlamak amacıyla numulere yayılma testi uygulanmış,914

karışımların ayni sıvılıkta olmasına özen gösterilmiştir. Bunu sağlamak amacıyla taban çapı 9 cm, üst çapı 4.3 cm veyüksekliği 15.25 cm olan bir koni kullanılmıştır. Hazırlanan karışımın yayılma oranı belirlenmiş ve bu değer bütünbeçlere uygulanmıştır.Liflerin EtkisisiŞekil 2’de görüldüğü gibi %1.5 hacim fraksiyonu ile lifli hafif beton hafif betona göre oldukça yüksek oranda süneklikgöstermiştir. Ayni zamandada nihai gerilmesinde de artışlar kaydedilmiştir. Şekil 3’de eğilme elemanının yüklemesırasında gösterdiği dformasyon verilmiştir. Fotoğrafta elemanda oluşan paralel çatlaklar açıkça görülmektedir. Liflerbasınç elemanlarında da etkili olmuşlardır. Lifli hafif betonun basınç dayanımında hafif betona kıyasla az bir artışgözlenmiş bununla beraber, hafif beton silindir elemanlar basınç dayanımına ulaştıklarında dağılarak kırılmışlar ancaklifli beton kırıldığı halde dağılmadan formlarını korumuşlardır.250200Yuk (N)1501005000 1 2 3 4Deplasman (mm)Fiber ReinforcedLWA CPlain LWACŞekil 2. Lifli ve lifsiz hafif beton yük-deplasman eğrisi (Arısoy,2002)Şekil 3.Üç noktalı eğilme deneyi sırasında LWA1 lifli hafif beton elemanında oluşan paralel çatlaklar ve deformasyon(Arısoy,2002)Hafif Agreganın EtkisiHafif agrega miktarı arttıkça yoğunluk azalmıştır. Hafif betondaki agrega miktarına göre elde edilen yoğunluklar Tablo1’de gösterilmiştir. Yoğunluğu yanısıra hafif betonun kırılmaya karşı koyucu gücü (fracture toughness, K m ) değerideartan agrega miktarıyla azalma göstermiştir (Tablo 1). Ayni zamanda karışımın eğilme yükü taşıma kapasitesi agregamiktarı arttıkça azalmıştır (Şekil 4). Bunun başlıca iki nedeni vardır: 1) Hafif agreganın gerilme dayanımı etrafındakimortardan daha azdır ve gerilme etkisi altında normal agregadan farklı olarak kendi içinden kırılacaktır 2) Hafif agregamiktarı arttıkça birim kesit alandaki agrega miktarı artacağından dayanım düşmektedir.Dolgu Maddelerinin EtkisiDolgu maddesi olarak karışıma eklenen uçucu kül ve silika tozunun etkisi Şekil 5’de gösterilmiştir. Çimento miktarının%30 oranında olan dolgu miktarı (%20 uçucu kül, %10 silika tozu) eklenmiş olan karışımlar %20oranında dolgu malzemesi içeren karışımlardan daha dayanıksız, karışımda %10 uçucu kül ve %10 silika tozu bulunankompozisyonlar %20 oranında uçucu kül bulunan kompozisyonlara oranla daha dayanıklı olduğu belirlenmiştir.915

Yuk (N)500400300200100LWA 1LWA 2LWA 3LWA 400 5 10 15 20 25 30 35 40Deplasman (mm)Şekil 4. Farklı Miktarlardaki Aggrega İçin Yük-Deplasman Eğrisi (Arısoy,2002)Yuk (N)300250200150100500LWA 5LWA 60 5 10 15 20 25 30 35 40Deplasman (mm)Şekil 5. Farklı Miktarlardaki Dolgu Maddeleri (Uçucu Kül Ve Silika Tozu) İçin Yük-Deplasman Eğrisi (Arısoy,2002)SonuçlarLif hacim fraksiyonu 0.015 (hazırlanan malzeme hacmine oranı) olacak miktarda lif kullanılarak elde edilen kompozittenormal hafif betona oranla yüksek mertebelerde süneklik elde edilmiştir. Kullanılan çimento miktarının yüzde 20’sioranında yapay hafif agrega eklenmesi halinde birim hacim ağırlığında yüzde 30 ile 35 oranında, çimento miktarınınyüzde 100’ü oranında yapay hafif agrega eklenmesi halinde birim hacim ağırlığında yüzde 100 ile 120 oranında azalmagözlenmiştir. Buna karşılık eğilme gerilmesinde 0.2 oranında yapay agrega eklenmesi halinde yüzde 250, 1.0 oranındayapay agrega eklenmesi halinde ise yüzde 50 artış gözlenmiştir. Bunun yanı sıra bütün karışımlarda kullanılan 0.2oranında uçucu kül yerine 0.1 oranında uçucu kül ve 0.1 oranında silika tozu kullanıldığında eğilme gerilmesi yüzde 60oranında artış göstermiştir. Lifli hafif betonun basınç dayanımında hafif betona kıyasla az bir artış gözlenmiş bununlaberaber, hafif beton silindir elemanlar basınç dayanımına ulaştıklarında dağılarak kırılmışlar ancak lifli beton kırıldığıhalde dağılmadan formlarını korumuşlardır (yapılan deneyler hakkında detaylı bilgi Arısoy,2002 referansından eldeedilebilir).KaynaklarArisoy, B., 2002. Development And Fracture Evaluation of High Performance Fiber Reinforced Lightweight Concrete,Doktora tezi, Wayne State University, Faculty of Engineering, Civil Engineering Dep. Detroit, MI, USA.Bentur, A. and Mindess, S., 1990. Fiber Reinforced Cementitious Composites. An Elsevier Science Publishers Ltd.,London.Li, V.C., 1992. Postcrack Scaling Relationships for Fiber Reinforced Cementitious Composites, J.of Materials in CivilEngineering, V.4, No.1, pp.41-56.Li, V.C. and Leung, C.K.Y., 1992. Steady-State and Multiple Cracking on Short Random Fiber Composites, J. ofEngineering Mechanics, V.118, No.11, pp.2246-2264.Li, V.C. and Wu, H.C., 1992. Conditions for Pseudo Strain-Hardening in Fiber Reinforced Brittle Matrix Composites, J.of Applied Mechanics Reviews.916