Beton İçerisinde Kaplanmış E-Cam Elyaflarının Mukavemet Özellikleri

Epoksi kaplamalı E-cam elyaf kompozitlerinin betonun basınç ve yarılma çekme dayanımları üzerindeki etkisini inceleyerek elde edilen test sonuçları bu çalışmada rapor edilmiştir. Üç farklı beton sınıfı ve değişen elyaf hacim oranları (%0.5, %1, %1.5 ve %2) test değişkenleri olarak kullanılmıştır. En yüksek basınç dayanımının %1.5 elyaf hacim oranında elde edildiği, yarılma çekme dayanımının ise elyaf hacim oranı arttıkça arttığı gözlemlenmiştir. Test sonuçlarına dayanarak, regresyon analizi kullanılarak bir matematiksel model geliştirilmiştir.

1. Giriş

Beton içerisinde lif kullanımının dış yükler nedeniyle oluşan çatlak genişliklerini azalttığı iyi bilinen bir gerçektir. Betonun çatlak genişliğini azaltmanın yanı sıra, lifler aynı zamanda betonun sünekliğini artırır, çatlama sonrası davranışını iyileştirir ve yüksek darbe yüklerine karşı direnç gösterir. Önceki araştırmalar, lifle güçlendirilmiş betonun davranışının lif şekli, lif geometrisi, boy/en oranı, lif hacmi, kür yöntemi ve kür süresi, süper akışkanlaştırıcı kullanımı gibi faktörlere bağlı olduğunu rapor etmişlerdir (Trottier, J. F., ve Banthia N., 1994 [1], Jianming Gao ve diğerleri, 1997 [2], K. Ramesh ve diğerleri, 2003 [3], A. Sivakumar ve Manu Santhanam, 2007 [4]). Bensaid Boulekbache ve diğerleri tarafından önerildiği gibi, liflerin dağılımı ve yönelimi de taze ve sertleşmiş betonun özelliklerini etkileyen önemli faktörler olarak gösterilmiştir.

Cam elyafı ile güçlendirilmiş beton, çelik liflerden daha yüksek mukavemet sunması ve antikorozif özellikleri nedeniyle mimari ve yapısal beton elemanlarında giderek daha fazla kullanılmaktadır. Junji Takagi [6], rastgele yönlendirilmiş cam liflerin betonun eğilme dayanımı, basınç dayanımı, yarılma çekme dayanımı ve Young modülü üzerindeki etkisini araştırmış ve lif içeriğinin artmasıyla dayanımda bir artış olduğunu belirtmiştir. Ancak, çalışmalar, kaplanmamış E-cam liflerinin beton içerisinde kullanıldığında, betonun yüksek alkali ortamı nedeniyle dayanıklılığını olumsuz etkilediğini ve liflerin zayıflamasına neden olarak betonun genel mukavemetini düşürdüğünü göstermiştir. Bu dayanıklılık sorunu, alkali dirençli (AR) cam liflerinin kullanımıyla aşılmıştır [7], bu da büzülme çatlaklarının yayılmasını azalttığı [8] ve betonun çekme ve eğilme dayanımlarını artırdığı [9] tespit edilmiştir.

Şu ana kadar alkali dirençli cam liflerle güçlendirilmiş beton üzerine çeşitli araştırmalar yapılmış olmasına rağmen, beton içerisinde kısa kaplanmış E-cam liflerinin incelenmediği görülmektedir. Cam lif kaplamalarının lifleri alkali ortamdan koruduğu ve aynı zamanda çekme dayanımlarını önemli ölçüde artırdığı belirtilmelidir [10]. Kaplanmış liflerin dayanıklılığı çok önemli olmasına rağmen, bu çalışmanın kapsamı dışında kalmaktadır. Kaplanmış sert liflerin, hem tek başına hem de beton ile birlikte dayanıklılığı, gelecekteki araştırmaların konusu olabilir. Ayrıca, kaplanmış liflerin maliyetle ilgili bir çalışması ve diğer lif türleriyle karşılaştırılması da gelecekteki araştırmacılara bırakılmıştır. Bu çalışma, kaplanmış E-Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun (CGFRC) özelliklerini incelemeye odaklanmaktadır. Lif hacmi ve beton sınıfı, bu liflerin beton içerisindeki basınç ve çekme altındaki etkisini değerlendirmek için değişken olarak kullanılmıştır. Lif ilavesinin betonun akış özelliklerini etkilediği bilindiğinden, betonun işlenebilirliğini belirlemek amacıyla akış tablası testleri yapılmıştır. Bu liflerin kaplamaları, sertlik sağlayarak kaplanmamış liflerde gözlemlenen liflerin topaklanmasını engeller. Bu çalışmada lifin boy/en oranı 30 olarak korunmuştur. Bu boy/en oranının, diğer araştırmacılar tarafından betonda kullanılan çelik liflerin optimal boy/en oranından daha düşük olduğu bulunmuştur [11]. Düşük boy/en oranı, artan sertlik ve düşük yanal dayanım nedeniyle gerekli görülmüştür. Bu çalışmanın amacı, kaplanmış E-cam liflerinin beton içerisinde basınç ve çekme yüklerine karşı direncini ortaya koymaktır. Test sonuçları kullanılarak, lifle güçlendirilmiş betonun dayanımını ifade eden matematiksel modeller geliştirilmiştir.

2. Malzemeler

Beton hazırlamak için, IS: 8112 [12] standardına uygun (ASTM Tip-I çimento standartlarına eşdeğer) özgül ağırlığı 3.15 g/cm³ olan sıradan Portland çimentosu kullanıldı. İnce ve kaba agregalar sırasıyla 2.6 g/cm³ ve 2.7 g/cm³ özgül ağırlıklara sahipti. İnce ve kaba agregalar IS 383 [13] standardına göre iyi derecelendirilmişti. Kaplanmış lifleri hazırlamak için, 17 μm ortalama filament çapına ve 2.65 g/cm³ yoğunluğa sahip 1200 Tex E-cam elyafı roving kullanıldı. Lifler herhangi bir ön işlem görmeden kullanıldı. Lifleri kaplamak için uygun bir sertleştirici içeren epoksi reçine kaplama malzemesi olarak kullanıldı.

Şekil 1’de gösterilen kaplanmış E-cam lifleri laboratuvarda üretildi. E-cam elyafı roving epoksi reçine ile kaplandı ve fazla reçine dar bir yarık vasıtasıyla çıkarıldı. Kaplanan lifler, kaplanmış liflerde kırışıklıkları önlemek için gergin tutulduktan sonra, oda sıcaklığında yaklaşık 24 saat kurutuldu. Daha sonra, lifler iki saat boyunca fırında post-kür işlemine tabi tutuldu. Kurutulmuş lifler, istenilen 30 boy/en oranına ulaşmak için gerekli uzunluklarda kesildi. Kaplanmış cam elyafının özellikleri Tablo 1’de sunulmuştur.

Test numunelerini dökmek için üç farklı beton sınıfı hazırlandı. Karışım oranları Tablo 2’de sunulmuştur. Taze beton hazırlamak için çimento, kum ve kaba agrega başlangıçta su ile karıştırıldı. Kaplanmış lifler, çimentolu harç ile önceden karıştırıldıktan sonra küçük miktarlarda taze betona eklendi ve iyice karıştırıldı. Ön karıştırma işlemi, kaplanmış liflerin ve betonun bağlanma özelliklerini iyileştirmek için yapıldı. Lif karışımlı beton, daha sonra çelik kalıplara döküldü ve hava boşluklarını azaltmak ve iyi bir sıkışma sağlamak amacıyla mekanik bir vibratörle titreştirildi. Dökülen numuneler 24 saat sonra kalıplardan çıkarıldı ve testlerden önce 28 gün boyunca suda kür edildi. Numuneler, testler yapılmadan önce tamamen kurutuldu.

3. Deneysel Çalışma
3.1. Liflerin Test Edilmesi

Kaplanmış cam liflerin çekme dayanımı, ASTM D2343-03 [14] test standartlarına göre, Şekil 2’de gösterilen malzeme test cihazı kullanılarak belirlendi. Beş adet çekme testi numunesi, her biri 250 mm uzunluğunda ve 150 mm ölçüm uzunluğunda olmak üzere, uçları lif mat laminatına gömülü olarak hazırlandı. Bu özel bağlantı, liflerin ezilmesini önlemek ve çekme testi sırasında gerekli tutuşu sağlamak amacıyla gerekliydi. Numune, 5 mm/dak yükleme hızıyla yer değiştirme kontrolü altında yüklendi. Kaplanmış cam liflerin çekme dayanımı ve modülü, standartta verilen ifadeye göre hesaplandı. Hesaplanan değerler Tablo 1’de sunulmuştur. Yük ve uzama grafiği elde edilmiştir, Şekil 3’te gösterildiği gibi.

3.2. Beton İçin Test Metodolojisi

Kaplanmış E-cam lifli betonun işlenebilirliğini incelemek için akış tablası testi yöntemiyle testler yapıldı. Akış tablası testi, IS:1199:1959 [15] standardına göre gerçekleştirildi. Basınç testleri için 150 x 150 x 150 mm ölçülerinde beton küpler test numunesi olarak kullanıldı. Basınç testleri, IS 516 [16] standardına göre yapıldı. Farklı beton sınıflarından ve değişen lif yüzdeleri (%0, %0.5, %1, %1.5 ve %2) ile yapılan toplam 45 küp dökülüp basınç dayanımı testine tabi tutuldu. Küp numunelerini test etmek için 2000 kN kapasiteli bir basınç test makinesi kullanıldı. Yükleme hızı 14 MPa/dak olarak ayarlandı. Benzer şekilde, 150 x 300 mm boyutlarında 45 silindirik numune döküldü ve yarılma çekme dayanımını elde etmek için test edildi. Yarılma çekme testi, betonun çekme dayanımını belirlemek için basit ve güvenilir bir testtir [17]. Yarılma çekme dayanımı testleri, IS 5816 [18] standardına göre gerçekleştirildi.

Şekil 4’te sunulan test edilmiş numuneler, tüm lifle güçlendirilmiş beton küplerinde çekirdeğin sağlam kaldığını, ancak çevresel betonun yarılıp parçalandığını göstermektedir. Bu durum, çekirdek bölgesindeki liflerin daha büyük bir ankraj sağlaması ve bu nedenle çevredeki liflere göre çatlak oluşumuna karşı daha etkili olmalarına bağlanabilir. Silindirik numuneler söz konusu olduğunda, yalnızca lif içermeyen silindir ikiye bölünmüş, geri kalan silindirler ise çatlamış olmasına rağmen bölünmemiş ve dağılmamıştır. Bu da liflerin çekme kuvvetlerine karşı oldukça dirençli olduğunu göstermektedir.

4. Test Sonuçları ve Tartışma
4.1. Taze Beton Test Sonuçları

Liflerin betonun işlenebilirliği üzerindeki etkisi, liflerin taze betonun akış özelliklerini engellemesi nedeniyle akış testi ile değerlendirilmiştir. Farklı beton sınıfları ve çeşitli lif hacim oranları için göreceli akış davranışı Şekil 5’te gösterilmiştir. Lif hacim oranı arttıkça akışın azaldığı görülmektedir. Lif hacim oranı %0’dan %2’ye çıktığında akış %25’ten daha az bir oranda azalmıştır. Bunun nedeni, kaplanmış liflerin düz şekli ve kısa uzunluğu olarak açıklanabilir; bu durum, betonun akışına minimum engel olmaları açısından avantajlıdır.

4.2. Sertleşmiş Beton Test Sonuçları
4.2.1. Basınç Dayanımı Sonuçları

Farklı lif hacim oranlarına sahip üç farklı beton sınıfı için ortalama basınç dayanımı analiz edilmiştir. İlgili sonuçlar Tablo 3’te sunulmuştur. Test edilen numuneler çatlak boyunca kesilip incelendiğinde, lif dağılımının oldukça iyi olduğu, liflerin topaklanmadığı gözlemlenmiştir. Bu durum, liflerin kısa uzunluğuna ve düz, sert yapısına bağlanabilir. Ayrıca, liflerin betondan ayrılmasına dair herhangi bir belirti gözlemlenmemiştir. Lif hacminin %1.5 olduğu durumda en yüksek yük değerine ulaşıldığı gözlemlenmiştir. Lif hacmi %1.5’in üzerine çıkarıldığında, lif ilavesi %2’ye kadar artırıldığında betonun basınç dayanımında keskin bir düşüş kaydedilmiştir. Bu dayanım düşüşü, daha önce çelik lifle güçlendirilmiş betonla ilgili çalışmalarda belirtildiği gibi, liflerin fazla miktarda bulunması nedeniyle betonun yeterince sıkışmamasına bağlanabilir [19]. Lif kaplaması, liflerin sertliğini artırarak betonun düzgün sıkışmasını engellemiştir.

4.2.2. Yarılma Çekme Dayanımı Sonuçları

Her test numunesi için tepe yükü kaydedilerek yarılma çekme dayanımı hesaplanmıştır. Betonun ortalama yarılma çekme dayanımı Tablo 3’te sunulmuştur. Lif hacim oranının artmasıyla birlikte yarılma çekme dayanımının arttığı gözlemlenmiştir. Hem düz beton hem de lifle güçlendirilmiş beton numuneleri, kendi nihai yüklerinde çatlama nedeniyle başarısız olmuştur. Ancak, silindirin iki ayrı yarıya bölünmesi sadece düz beton numunelerinde gözlemlenmiştir. Bu durum, kaplanmış E-cam liflerinin betonda çekme kuvvetlerine etkili bir şekilde direnebildiğini kanıtlamaktadır. Ayrıca, lifle güçlendirilmiş numunelerde çatlak derinliği ve genişliği değerlerinin daha küçük olduğu tespit edilmiştir, bu da kaplanmış liflerin ve bunların dağılımının etkinliğini göstermektedir. Lif hacminin artmasıyla yarılma çekme dayanımındaki artış beklenen bir sonuçtur, çünkü çatlak düzlemi boyunca bulunan lifler, çatlakların yayılmasını daha etkili bir şekilde engeller.

Her lif yüzdesi için test edilen bir numune seçilmiş ve ardından çatlaklı kırılma yüzeyi boyunca kesilerek gözlem yapılmıştır. Beton içerisinde liflerin homojen olarak dağıldığı kaydedilmiştir. Çatlak boyunca bulunan lifler fiziksel olarak sayılarak, yarılma çekme kuvvetine direnç gösteren etkili lifler belirlenmiştir. Şekil 6’da çatlak boyunca beton içindeki lifler gösterilmektedir. Daha önceki araştırmacıların belirttiği gibi, sert liflerin yönelimi de liflerin çatlak yayılmasına karşı direnme kapasitesine katkıda bulunmaktadır [20]. Çatlak kesiti boyunca bulunan toplam liflerin yaklaşık %10 ila %20’sinin yükleme düzlemine dik olduğu, diğer tüm liflerin ise kırılma çatlağına farklı açılarda yöneldiği tespit edilmiştir. Liflerin incelenmesi sonucunda, yük uygulaması nedeniyle liflerin kopmadığı ve lifler ile beton arasında iyi bir bağ olduğu gözlemlenmiştir.

5. Test Sonuçlarının Analizi

Test sonuçlarının analizi, betonun sınıfı ve lif hacmi yüzdesi gibi test değişkenlerini dayanım özellikleriyle ilişkilendirmek için çoklu regresyon analizi yöntemi kullanılarak gerçekleştirildi. Liflerin betonun basınç dayanımı (fc) ve yarılma çekme dayanımı (fst) üzerindeki etkisini ilişkilendiren bir bağlantı kuruldu. Önerilen genel tahmin modeli şu şekilde verilmiştir:

İlk terim, betonun karakteristik dayanımının etkisini temsil ederken, sonraki terimler betonda bulunan liflerin hacim oranına bağlıdır. Bu çalışmada önerilen model, Song ve arkadaşları [21] tarafından önerilen modele benzerdir; ancak bu modelde çelik lifler yerine kaplanmış E-cam liflerini temsil eden katsayılarda değişiklikler yapılmıştır.

Belirleme katsayısı (COD), önerilen her iki denklem (Denklem (2) ve (3)) için 0.91 olarak bulunmuştur. Betonun basınç dayanımının, %2 lif ilavesiyle azaldığı gözlemlenmiştir. Denklem (2)’de, Vf² katsayısının, lif ilavesiyle betonun basınç dayanımındaki doğrusal olmayan davranış nedeniyle önemli olduğu bulunmuştur. Betonun yarılma çekme dayanımının, lif ilavesiyle doğrusal olarak değiştiği tespit edilmiştir. Test sonuçlarının doğrusal olması nedeniyle, Vf² katsayısı oldukça düşük çıkmıştır.

Kaplanmış E-cam lifleriyle güçlendirilmiş betonun (CGFRC) dayanımının, lif şekli, lif uzunluğu ve boy/en oranı, liflerin yönelimi, gömülü uzunluk ve beton özellikleri gibi çeşitli faktörlere de bağlı olduğu bilinmektedir. Beton içerisindeki kaplanmış E-cam lifleriyle ilgili araştırmalar hakkında literatür bulunmadığından, önerilen denklemlerin ek deneysel verilerle doğrulanması için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır. Tahmin edilen değerler ile deneysel değerler arasındaki ilişki Tablo 4’te sunulmuştur. Bu tablo, tahmin edilen değerlerin deneysel değerlere oldukça yakın olduğunu göstermektedir. Deneysel değerler ile dayanım modeli değerleri (Denklem (2) ve (3)’ten) arasındaki korelasyon, Şekil 7 ve 8’de görülebilir. Deneysel değerler ile tahmin edilen değerlerin yakınlığı, Şekil 7 ve 8’de sunulan doğrusal trend ile açıklanmaktadır.

6. Sonuç

Bu çalışmanın amacı, kaplanmış E-cam lifleriyle güçlendirilmiş betonun dayanım özelliklerini değerlendirmekti. Testlerin ve sonuçların analizinin ardından aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır:

• Beklendiği gibi, lif ilavesi betonun akışını etkilemiştir. Ancak, liflerin düz şekli nedeniyle betonun akışına büyük bir engel teşkil etmemiştir. Ölçülen beton akış özellikleri, lif içeriğinin %0’dan %2’ye kadar artırılmasıyla akışın sadece %25 oranında azaldığını göstermektedir.
• Betonun basınç dayanımının lif içeriği arttıkça yükseldiği tespit edilmiştir. Ancak, liflerin %1.5’in üzerine eklenmesi basınç dayanımı üzerinde olumsuz bir etki yaratmıştır. Lif hacim oranı %1.5’e kadar olan artışlarda, dayanımın kontrol karışım betonuna göre %10 ila %20 arasında arttığı bulunmuştur.
• Yarılma çekme dayanımı, lif hacim oranındaki artışla doğrusal bir değişim göstermiştir. %2 lif hacim oranı için kontrol karışım betonuna göre yaklaşık %35 oranında önemli bir artış gözlemlenmiştir. Bu liflerin, çekme çatlaklarının yayılmasını engellemede etkili olduğu bulunmuştur.
• Lifle güçlendirilmiş betonun dayanım özelliklerini tahmin etmek için deneysel test verilerinin çoklu regresyon analizi ile formüle edilen önerilen ampirik modellerin, test sonuçlarına yakın olduğu tespit edilmiştir. Ancak, önerilen denklemlerin doğrulanması için daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.

REFERENCES

[1] Trottier, J.F., Banthia, N.: Toughness characterization steel fibers

reinforced concrete, Journal of Materials in Civil Engineering, 6

(1994) 4, pp. 264-289.

[2] Gao, J., Sun, W., Morino, K.: Mechanical properties of steel fiberreinforced,

high-strength, lightweight Concrete, Cement and

Concrete Composites, 19 (1997) 4, pp. 307-313.

[3] Ramesh, K., Seshu, D.R., Prabhakar, M.: Constitutive Behavior

of Confined Fiber Reinforced Concrete under axial compression,

Cement and Concrete Composites, 25 (2003) 3, pp. 343-350.

[4] Sivakumar, A., Santhanam, M.: Mechanical properties of high

strength concrete reinforced with metallic and non-metallic

fibres, Cement and Concrete Composites, 29 (2007) 7, pp. 575-581.

[5] Boulekbache, B., Hamrat, M., Chemrouk, M., Amziane, S.:

Flowability of fibre-reinforced concrete and its effect on the

mechanical properties of the material, Construction and Building

Materials, 24 (2010) 9, pp. 1664-1671.

[6] Takagi, J.: Some Properties of glass fiber reinforced concrete, Fiber

Reinforced Concrete, ACI SP-44, Detroit, Michigan, pp. 93-111, 1974.

[7] Brandt, A.M.: Fibre reinforced cement-based (FRC) composites

after over 40 years of development in uilding and civil engineering,

Composite Structures, 86 (2008) 1-3, pp. 3-9,.

[8] Barluenga, G., Hernández-Olivares, F.: Cracking control of

concretes modified with short AR-glass fibers at early age.

Experimental results on standard concrete and SCC, Cement and

Concrete Research 37 (2007) 12, pp. 1624–1638.

[9] Ali, M.A., Majumdar, A.J., Singh, B.: Properties of glass fiber

reinforced cement-the effect of fiber length and content, Journal

of Materials Science, 10 (1975) 10, pp. 1732–1740.

[10] Biswas, A.K., Cherif, C., Hund, R.D., Shayed, M.A., Hossain, M.:

Influence of Coatings on Tensile Properties of Glass Fiber, Materials

Science (MEDŽIAGOTYRA), 20 (2014) 1, pp. 50-54,.

[11] Yazici, S., Inan, G., Tabak, V.: Effect of aspect ratio and volume

fraction of steel fiber on mechanical properties of SFRC,

Construction and Building Materials, 21 (2007) 6, pp. 1250-1253,.

[12] IS: 8112(1989). Specification for 43 Grade Ordinary Portland

Cement, Second Revision, Reprint 2013, Bureau of Indian

Standards, New Delhi.

[13] IS: 383(1970). Specification for Coarse and Fine Aggregate from

Natural Sources For Concrete, Second Revision, Reprint 2002,

Bureau of Indian Standards, New Delhi.

[14] ASTM D 2343, “Standard Test Method for Tensile Properties

of Glass Fiber Strands, Yarns, and Rovings Used in Reinforced

Plastics”, ASTM Standards, 2003.

[15] IS: 1199(1959). Methods of Sampling and Analysis of Concrete,

Reprint 2004, Bureau of Indian Standards, New Delhi.

[16] IS: 516(1959). Method of Tests for Strength of Concrete,

Amendment No. 2, Reprint 1993, Bureau of Indian Standards,

New Delhi.

[17] Rocco, C., Guinea, G.V., Planas, J., Elices, M.: Review of the splittingtest

standards from a fracture mechanics point of view, Cement

and Concrete Research, 31 (2001) 1, pp. 73-82.

[18] IS: 5816(1999), Splitting Tensile Strength of Concrete-Method of

Test, First Revision, Reprint 1999, Bureau of Indian Standards,

New Delhi.

[19] Mohammadi, Y., Singh, S.P., Kaushik, S.K.: Properties of steel

fibrous concrete containing mixed fibres in fresh and hardened

state, Construction and Building Materials, 22 (2008) 9, pp. 956-

965.

[20] Folgar, F.: Orientation Behavior of Fibers in Concentrated

Suspensions, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 3

(2000) 2, pp. 98-119.

[21] Song, P.S., Hwang, S.: Mechanical Properties of high-strength

steel fiber-reinforced concrete, Construction and Building Materials,

18 (2004) 9, pp. 669-673.

Orijinal Makale Linki : http://www.casopis-gradjevinar.hr/assets/Uploads/JCE-68-2016-9-2-1335-EN.pdf