Lifli polimer (FRP) davranışını etkileyen faktörler

Her malzemenin olduğu gibi FRP’nin de davranışını etkileyen bazı faktörler bulunmaktadır. Bu faktörlerin etkisinin, liflerin kendisi üzerinde genellikle az ve ihmal edilebilir düzeyde olduğu belirtilmektedir. Etkileşimin, bazı durumlarda önemli ve ciddi sorun olabilecek seviyede, beton-FRP ara kesitindeki reçinede gerçekleştiği bilinmektedir. Halihazırda yapı sektöründe kullanılan reçinelerle yapılan FRP güçlendirmelerinin ardından, koruma katmanı uygulamaları, bir çok olumsuz etkiyi önlemede başarılı olmaktadır. Ayrıca olumsuz etki oluşturan faktörlere karşı uygun ve zarar görmeyen reçinelerin pratikte var olduğu, FRP’lerin çok zor şartlar altında kullanıldığı ve kendini ispatladığı uzay, havacılık ve savunma alanlarındaki uygulamalarından anlaşılmaktadır. Bu alanlardaki reçineler,

yüksek maliyetleri nedeniyle yapı alanında kullanılmamaktadırlar. FRP üretiminde kullanılan liflerde, özellikle karbon liflerinde geride bıraktığımız 10-15 yıllık süreçteki fiyat düşüşü benzeri bir eğilimin, gelişen teknoloji ve talep doğrultusunda bu reçinelerde de yaşanabileceği düşünülebilir. FRP ile güçlendirmeyi etkileyen, kullanılan reçine matris ile ilgi tüm sorunların, çelik plaka yapıştırma ile güçlendirmeyi de benzer şekilde etkilediği akıldan çıkartılmamalıdır. FRP davranışı üzerinde etkili olan faktörler, aşağıda görüldüğü gibi sıralanabilir.

 alkali veya asidik ortamlar

 yangın veya sıcaklık değişimi

 donma çözülme etkileri

 nem ve su emme

 ultraviyole güneş ışınları

Alkali ve asidik ortamları kendi içlerinde zayıf ve güçlü olarak ayırmak mümkündür. pH değerine göre 4-7 arası zayıf, 4’ün altı kuvvetli asidik ortamlardır. Asit yağmurları ve karbondioksitin yoğunlaştığı durumlar, zayıf asidik ortamlara sebep olurlar. Kuvvetli asidik ortamların, genel olarak sadece insan eliyle hazırlanmış olacağı söylenebilir. pH değeri 7-10 arası ortamlar zayıf, 10 üzeri ortamlar kuvvetli alkali (bazik) olarak nitelendirilmektedir. Puzolanlar kullanılarak üretilmiş malzemeler zayıf alkali ortamlar oluştururken, yaygın kullanılan portland çimentosu kuvvetli alkali ortam meydana getirir [31]. Karbon lifleri, alkali ve asidik ortamlara karşı dayanıklıdırlar. Aynı durum cam lifler için geçerli değildir [21, 26]. Aramid lifleri zayıf alkali ve asidik ortamlara dayanıklı iken, kuvvetli alkali ve asidik ortamlara karşı dayanıklılığını yitirmektedir (Tablo 2.2 [31]). FRP olarak düşünüldüğünde ise doğru ve gerekli şeklide reçine matris uygulanmış lifler, bu tip ortamlardan etkilenmemektedir [21, 26]. Buna rağmen nemin veya rutubetin fazla olduğu yüksek alkali ortamlarda yapılacak FRP uygulamalarında, karbon liflerin tercih edilmesi tavsiye edilmektedir [26].

Yangın, sürekli karşılaşılmayacak, beklenmedik bir durum ve inşaat mühendisliği açısından, öngörülmeyen yükleme tipidir. Lifler, genel olarak yüksek sıcaklık ve

yangın etkisinde iyi performans sergilemektedirler. Aynı durum yapı alanında kullanılan reçine matrisler için geçerli değildir [23]. Yangın durumunda, özellikle beton-FRP arakesitinde bulunan reçine, işlevini yitirmekte ve güçlendirme uygulaması etkisiz hale gelmektedir. FRP ile güçlendirilmiş elemanlarda, yangına karşı koruma uygulaması yapılabilmekte, fakat bu uygulama sorunu ortadan kaldırmamakta sadece öteleyebilmektedir. FRP kullanımında yangına karşı önlem alınırken, bu değerlendirme de göz önünde bulundurulmalıdır [21]. Tablo 2.2 [31]’de, 100 °C olarak uygulanmış yüksek sıcaklık değerinde, FRP bileşenlerinin etkileşimi yer almaktadır. Reçine matris malzemelerinin yüksek sıcaklıkta etkilenmesine neden olan karakteristik özelliği, camsı geçiş sıcaklığıdır. Bu değer, kürlenmiş ve cama benzer biçimde sertleşmiş reçinenin, kimyasal bağlarında bozulma olarak sertliğini kaybetmeye başladığı limit değer olarak tanımlanabilir. Camsı geçiş sıcaklığının aşılması, beton-FRP ara yüzeyini ve FRP malzeme içerisindeki, lifler arası yük aktarımını etkilemekte, mekanik özelliklerde ve aderans değerlerinde önemli ölçüde azalmaya neden olmaktadır [32]. Servis sıcaklığını belirli bir değerin altında tutmak, yüksek camsı geçiş sıcaklığı değerine sahip reçine kullanmak veya ikincil sıcaklık kürlemesi yapmak çözüm olarak önerilmektedir. Belirli bir dereceye kadar yüksek sıcaklığın, reçine üzerinde ikincil kürleme etkisi yaptığı, camsı geçiş limitini arttırdığı bildirilmektedir. Reçinenin su almış olması, yüksek sıcaklık etkisinin tersine, bu değeri düşürmektedir [21]. Belirli bir sıcaklık değerinin uzun süre etkimesi durumunda da mekanik özelliklerde düşüş yaşandığı belirtilmektedir. Woods (2003) ve Gamage ve diğ. (2005) tarafından yapılan deneylerde, 60 - 70 °C arasındaki uzun süreli sıcaklık etkisinde, önemli dayanım düşüşlerinin oluştuğu bildirilmiştir [32]. Bu sıcaklık değerleri, yaygın olarak kullanılan reçine malzemesi epoksinin, camsı geçiş sıcaklığına denk gelmektedir. Gamage ve diğ (2005)’in verdiği sonuçlar arasında, 22°C ve 36 °C sıcaklık etkisinde, FRP sistemin oda sıcaklığındaki dayanım değerleri ile çok benzer sonuçlar verdiği saptanmıştır [32].

Özellikle düşük ve normal dayanımlı beton, bünyesindeki boşluklar ve muhtemel çatlaklar nedeniyle donma çözülme çevriminin olumsuz etkilerine açıktır. Beton- FRP ara yüzeyini oluşturan reçinede bulunacak nem ve dolayısıyla su, benzer biçimde olumsuz etki yapabilmektedir. Bünyesine su ve nem almayan epoksilerin

kullanımında bu sorun giderilebilmektedir. Yapılan çalışmalarda, kirişlerde uygulanan FRP uygulamalarında, donma çözülme çevriminin göz ardı edilebilir derecede etkisinin olduğu görülmüştür. FRP sargılanmış silindirler ile yapılan basınç testlerinde, belirli düşüşler olduğu vurgulanmıştır. Özellikle kalitesiz betonların, donma çözülme etkisi altındaki davranışının kötü olması, güçlendirilmiş silindirin davranışının da nispeten kötü olmasına sebep olmaktadır. Yapılan çalışmalarda basınç altındaki sargılanmış beton silindirlerin, FRP uygulaması olmayan alt ve üst yüzeylerine yakın bölgelerinde ezilmelerin yoğunlaştığı görülmüştür. Bu da yukarıda yapılan açıklamayı doğrular niteliktedir. Donma çözülme etkisi elemanın dayanımını, FRP sargılanması sonucu değil, betonun kalitesiz olmasından dolayı etkilemektedir [21]. Toutanji ve Balaguru tarafından yapılan çalışmada CFRP ve GFRP ile sarılmış silindirler, 300 donma çözülme çevrimine tabi tutulmuş ve sonuçları normal koşullarda bekletilmiş, sargılanmış numunelere ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Donma çözülmenin, sargılanmış numunelerin basınç dayanımını, sargılanmamış beton dayanımının altına çekebildiği görülmüştür. Sargılanmış ve donma çözülmeye tabi tutulmuş numunelerin, alt ve üst yüzlerine yakın bölgelerinde hasarın biriktiği, bununda çevrime maruz kalan betonun olumsuz etkilenmesinden kaynaklandığı ifade edilmiştir. Hasar gören bu bölgeler kesilerek, hasar görmeyen orta bölge tekrar test edildiğinde, FRP sarılarak normal şartlarda bekletilen numunelere göre düşük olmakla birlikte, sargılanmamış beton dayanımının üstünde değerler elde edilmiştir. CFRP sargılanmış numunelerin davranışının, GFRP sargılanmış olanlara göre daha iyi olduğu bildirilmiştir [33].

Yüksek nem oranı, rutubet ve su emme, FRP’yi etkileyen bir diğer faktör grubudur [21, 23, 32]. Liflerin yüksek nemden etkilenme eğilimi değişiklik gösterirken, karbon liflerin bu konuda dayanıklı oldukları görülmektedir (Tablo 2.2 [31]). Diğer faktörlerde olduğu gibi yüksek nem oranı ve rutubetten en çok etkilenen bileşen, reçine matristir. Daha öncede belirtildiği gibi, içerisine su almış olan reçinenin, donma çözülme performansı ve camsı geçiş sıcaklık değeri olumsuz etkilenmektedir [21, 23, 31]. Uzun süreli suya veya yüksek nem oranına maruz kalan FRP uygulamalarında, reçine matris bileşenine bağlı, dayanım düşüşleri görülmüştür [32]. Bu testlerin çoğu, temsili etkiyi ortaya çıkartan, malzeme bazındaki yapışma ve çekip ayrıma (pull off) testleridir. Toutanji ve Gomez (1997), çekme bölgelerine FRP

yapıştırılan kirişleri, deniz suyunu temsilen tuzlu su ile uzun süreli ıslanma kuruma çevrimine tabi tutmuşlar ve sonuçları incelemişlerdir. Değişik reçine matris türlerinin kullanıldığı bu çalışmada, ıslanma kuruma çevrimi sonucu, reçine kaynaklı dayanım düşüşlerinin ve deformasyon artışlarının olduğu görülmüştür. Diğer çalışmalardan da bilinen bu gerçeğin yanında, ıslanma kuruma çevrimine tabi tutulan ve bu çevrime sokulmayan FRP ile güçlendirilmiş kirişlerin, güçlendirme uygulanmamış kirişlerden çok daha yüksek dayanıma ulaştıkları bildirilmiştir [32]. Sürekli yüksek nem oranına sahip, rutubetli servis ortamında veya doğrudan su ile temasta kalan elemanlarda yapılacak FRP uygulamaları için, reçine matris seçimine dikkat edilmesi gerekmekte ve suya dayanıklı reçinelerin kullanılması tavsiye edilmektedir [23]. FRP uygulamasının ardından uygun koruyucu katman oluşturulması, yüksek nem ve rutubetli ortamlar için alınabilecek diğer bir önlemdir.

Ultraviyole güneş ışınları, lifler üzerinde kısmen etkilidir. Karbon liflerin UV ışınlarına en dayanıklı lif tipi olduğu bilinmektedir. (Tablo 2.2 [31]). Bununla birlikte UV ışınları, reçine matrisin moleküler yapısında, bozulmalara yol açabilmektedir [21, 23]. Reçine içerisine katılacak koruyucu maddelerle, ultraviyole güneş ışınlarının FRP uygulaması üzerindeki olumsuz etkilerinden kurtulmak mümkündür [23]. Koruyucu katman oluşturulması, alınabilecek diğer bir önlemdir.

Tablo 2.2: FRP bileşenleri, donatı çeliği ve betonun çeşitli faktörlerle etkileşimi [31]

Malzeme _Emme Su Zayıf _Asit Kuvvetli _{Asit Alkalin} Zayıf Kuvvetli _{Alkalin Sıcaklık} Yüksek UV

E-cam E kE E E E D kE

S-cam E D kE E E D kE

PAN Karbon D D D D D D D

PITCH Karbon D D D D D D D

Aramid 0.05’ D kE D kE E E

Poliester reçine 0.15-_0.60’ kE E E E Y/V E

Vinilester reçine 0.1- _0.2’ D D D D E kE

Epoksi reçine 0.1’ D kE D D E D

Donatı çeliği --- kE E D D --- D

Beton (PÇ)

20-60 MPa 12.9^ 9.1- E E D D kE-D D

E: etkilenir, kE: kısmen etkilenir, D:dayanıklıdır, Y/V: yetersiz veri ’ASTM D570 (%/24saat)

Görülmektedir ki çoğu olumsuz çevresel faktör, özellikle beton ile FRP’nin yapışmasını sağlayan reçine matris üzerinde etkili olmakta, dolayısıyla reçine ile yapıştırma üzerine kurulu tüm güçlendirme sistemleri bu faktörlerden etkilenmektedir. Uygun reçine seçimi ve koruyucu katman uygulaması, FRP uygulamaları için üzerinde önemle durulması gereken konulardır. Ayrıca malzeme bazlı testlerin ötesinde, bu faktörlerin FRP güçlendirme üzerindeki etkilerini net biçimde ortaya çıkartacak, olumsuz etkilere tabi tutulan FRP ile güçlendirilmiş eleman testlerinin yapılmasına ihtiyaç olduğu düşünülmektedir.