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.

 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

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

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.

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

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.