SÜRDÜRÜLEBİLİR ALTYAPILAR İÇİN YENİ NESİL AKILLI ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİT MALZEMELERİN GELİŞTİRİLMESİ
Gürkan YILDIRIM
DOKTORA TEZİ
İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MAYIS 2016
NESİL AKILLI ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİT MALZEMELERİN GELİŞTİRİLMESİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Doç. Dr. Mustafa ŞAHMARAN İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum ...………
Başkan : Prof. Dr. İsmail Özgür YAMAN İnşaat Mühendisliği Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum ...………
Üye : Prof. Dr. Özgür ANIL
İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum ...………
Üye : Prof. Dr. İlhami DEMİR
İnşaat Mühendisliği Bölümü, Kırıkkale Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum ...………
Üye : Yrd. Doç. Dr. Osman ŞİMŞEK İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gazi Üniversitesi
Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Doktora Tezi olduğunu onaylıyorum ...………
Tez Savunma Tarihi: 25/05/2016
Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Doktora Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.
……….…….
Prof. Dr. Metin GÜRÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
ETİK BEYAN
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;
Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,
Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,
Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,
Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,
Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,
bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.
Gürkan YILDIRIM 25/05/2016
SÜRDÜRÜLEBİLİR ALTYAPILAR İÇİN YENİ NESİL AKILLI ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİT MALZEMELERİN GELİŞTİRİLMESİ
(Doktora Tezi) Gürkan YILDIRIM GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
Mayıs 2016 ÖZET
Beton malzemesinin özellikle uzun vadede dayanıklı olmasının arzu edildiği durumlarda çatlakların varlığı, üzerinde ciddiyetle durulması gereken bir konudur. Beton, çeşitli dışsal faktörler, sert çevresel şartlar, kötü işçilik gibi birçok sebep sonucunda çatlayabilmekte ve çatlamış beton için sağlam haldeki dürabilite özelliklerinin tam anlamıyla geri kazanılması neredeyse imkansız olmaktadır. Çatlaklar ayrıca temel mekanik özelliklerde de ciddi kayıplara sebep olarak ilerleyen yapısal bozulma ve ayrışmayı tetikleyebilmektedir. Bu durum çoğu zaman, zarar gören yapısal kesitlerin hızlı ve etkin bakım/onarımını gerektirmektedir. Ancak, geleneksel yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen tamir işlemlerinin kısa ömürlü olması ve hatta bazı durumlarda yapısal kısıtlamalar sebebiyle bu işlemlerin gerçekleştirilememesi, çatlakların dışarıdan herhangi bir müdahale olmaksızın otojen şekilde kendiliğinden iyileşerek kapanmasını kullanışlı bir tamir yöntemi haline getirmektedir. Kendiliğinden iyileşme, Portland çimentosu bulunduran neredeyse tüm beton çeşitlerinde gözlemlenebiliyor olsa da geleneksel betonlarda çatlak kontrolünün olmayışı ve malzemenin maruz kaldığı ortamın her zaman nemli olmaması gibi çeşitli sebepler kendiliğinden iyileşme etkinliğini önemli ölçüde azaltabilmektedir. Bu bağlamda, tez çalışmaları kapsamında çeşitli puzolanik malzemeler kullanılarak aşırı mekanik yüklemeler altında dahi mikron mertebesinde çatlak oluşturma kabiliyetine sahip tasarlanmış çimento bağlayıcılı kompozit malzemeler üretilmiştir. Kompozit malzemelerdeki mikroçatlakların otojen kendiliğinden iyileşme davranışı literatürde ilk defa gaz geçirimlilik ölçümleri aracılığıyla değerlendirilmiştir. Ayrıca, yeterli ölçüde neme sahip olmayan ortam koşulları altında kendiliğinden iyileşmenin tetiklenebilmesi için suya doygun hafif agregalar aracılığıyla uygulanan içsel kürlemenin etkinliği üzerinde durulmuştur. Son olarak, kompozit malzemelerde otojen kendiliğinden iyileşme davranışının ne kadar tekrarlanabilir ve yaygın olduğunun değerlendirilebilmesi amacıyla çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Kompozit malzemelerin literatürdeki sonuçlara ek olarak deneysel sonuçlarla da doğrulanan üstün otojen kendiliğinden iyileşme kabiliyetinin yapısal dayanıklılık ve sürdürülebilirliğe büyük katkı yapacağı düşünülmektedir.
Bilim Kodu : 91127
Anahtar Kelimeler : Tasarlanmış çimento bağlayıcılı kompozitler, kendiliğinden iyileşme, mekanik özellikler, taşınma özellikleri
Sayfa Adedi : 151
Danışman : Doç. Dr. Mustafa ŞAHMARAN
DEVELOPMENT OF NEW GENERATION SMART CEMENTITIOUS COMPOSITES FOR SUSTAINABLE INFRASTRUCTURES
(Ph. D. Thesis) Gürkan YILDIRIM GAZİ UNIVERSITY
GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES May 2016
ABSTRACT
The presence of cracks is a topic of great interest if the concrete material is desired to be long-lasting. Concrete may easily crack as a result of several factors such as external effects, harsh environmental conditions, poor workmanship and it is almost impossible to retain original durability characteristics in the cracked state. Cracks do not only negatively influence the overall durability but also the basic mechanical properties leading to progressive deterioration followed by structural disintegration. Most of the time, this situation necessitates the fast and effective repair/maintenance of the deteriorated sections in a certain infrastructure. However, since most of the conventional repair applications are often short-lived and the repair application may not be possible in some cases due to structural restrictions, autogenous self-healing of cracks without external interference comes to prominence as a very handy repair technique. Although the self-healing mechanism is available for almost all types of concrete using Portland cement, it may not be very effective due to several reasons such as the lack of cracking control in conventional concrete and inadequate moisture content in the service environment of concrete. In this sense, Engineered Cementitious Composites which are able to generate micro-size cracks even in the presence of excessive mechanical loadings were manufactured using different pozzolanic materials in the scope of the present thesis.
Autogenous self-healing taking place in the microcracks of composite materials were evaluated through the gas permeability measurements for the first time in literature.
Moreover, in order to trigger the self-healing capability in dry environmental conditions, focus was placed on the effectiveness of internal curing supplied by water-saturated lightweight aggregates. Finally, several studies were undertaken to assess the repeatability and pervasiveness of autogenous self-healing in composite materials. The superior self- healing capability of composite materials confirmed by the outcomes of present thesis in addition to the results available in the current literature is believed to contribute to the structural durability and sustainability of infrastructures significantly.
Science Code : 91127
Key Words : Engineered cementitious composites, self-healing, mechanical properties, transport properties
Page Number : 151
Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN
TEŞEKKÜR
Tez çalışmalarımın başladığı ilk andan itibaren değerli fikirlerini ve yardımını esirgemeyen danışman hocam sayın Doç. Dr. Mustafa Şahmaran’a yürekten teşekkür ederim. Hocamın işine olan ilgisi, bakış açısı, tarafıma yaklaşımı ve bitmek bilmeyen enerjisinin başlı başına bir ilham kaynağı olduğunu ve destekleri için ömür boyu kendisine minnettar kalacağımı belirtmek isterim.
Deneysel çalışmalarımın gerçekleştirilmesi sırasında yanımda olan fikir alışverişinde bulunduğum özellikle Gazi ve Gaziantep Üniversitesi’ndeki tüm çalışma arkadaşlarım ve hocalarıma teşekkür ederim.
Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu’nun (TÜBİTAK) MAG-112M876 numaralı uluslararası COST araştırma projesi kapsamında tamamlanan tez çalışmalarım sırasında mali desteğini esirgemeyen TÜBİTAK’a ve Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği’ne (TÇMB) teşekkürü bir borç bilirim.
Doktora tez jürime katılan sayın Prof. Dr. İsmail Özgür Yaman, Prof. Dr. Özgür Anıl, Prof.
Dr. İlhami Demir ve Yrd. Doç. Dr. Osman Şimşek’e teşekkür ederim.
Son olarak, doktora çalışmalarım sırasında beni hiç yalnız bırakmayan ve desteklerini esirgemeyen aileme teşekkür ederim.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... iv
ABSTRACT... v
TEŞEKKÜR... vi
İÇİNDEKİLER ... vii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... x
ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... xi
RESİMLERİN LİSTESİ ... xiii
SİMGELER VE KISALTMALAR... xvi
1. GİRİŞ ...
12. ECC’NİN OTOJEN KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞI İLE İLGİLİ GEÇMİŞTE YAPILMIŞ ÇALIŞMALAR ...
152.1. Taşınma Özellikleri ... 15
2.1.1. Geçirimlilik ... 15
2.1.3. Su emme ... 25
2.2. Mekanik Ö zellikler... 28
2.2.1. Eksenel çekme ... 28
2.2.2. Eğilmede çekme ... 33
2.2.3. Yarmada çekme ... 37
3. DENEYSEL PROGRAM ...
413.1. Çalışmalar Sırasında Kullanılan Malzemeler... 41
3.1.1. Portland çimentosu (PÇ) ... 41
3.1.2. F-sınıfı uçucu kül (UK-F) ... 41
Sayfa
3.1.3. C-sınıfı uçucu kül (UK-C)... 43
3.1.4. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu (GYFC) ... 44
3.1.5. Sönmüş kireç (CH)... 44
3.1.6. Genleştirilmiş perlit agregası (GPA)... 44
3.1.7. Kuvars kumu ... 45
3.1.8. Polivinil-alkol (PVA) lifleri ... 46
3.1.9. Yüksek oranda su azaltıcı (YOSA) katkı ... 48
3.2. ECC Karışımlarının Üretimi ... 48
3.2.1. Küçük ölçekli üretim ... 48
3.2.2. Büyük ölçekli üretim ... 48
4. FARKLI ECC KARIŞIMLARI ÜZERİNDE GERÇEKLEŞTİRİLEN OTOJEN KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME ÇALIŞMALARI ...
514.1. Çatlama ve Kendiliğinden İyileşmenin Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Gaz Geçirimlilik Ö zelliği Üzerine Etkileri ... 51
4.1.1. Giriş ... 51
4.1.2. Deneysel çalışmalar... 52
4.1.3. Deneysel sonuçlar ve tartışma ... 61
4.2. Suya Doygun Hafif Agrega İlavesinin Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Kendiliğinden İyileşme Kabiliyeti Üzerindeki Etkinliğinin Belirlenmesi ... 76
4.2.1. Giriş ... 76
4.2.2. Deneysel çalışmalar... 78
4.2.3. Deneysel sonuçlar ve tartışma ... 83
4.3. Çimento Esaslı Kompozitlerde Kendiliğinden İyileşmenin Tekrarlanabilirliği ve Yaygınlığı ... 95
4.3.1. Giriş ... 95
4.3.2. Deneysel çalışmalar... 96
Sayfa
4.3.3. Deneysel sonuçlar ve tartışma ... 100
4.4. Sönmüş Kireç Kullanımının Yüksek Hacimde Uçucu Kül İçeren Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Kendiliğinden İyileşme Kabiliyeti Üzerine Etkileri ... 114
4.4.1. Giriş ... 114
4.4.2. Deneysel çalışmalar... 115
4.4.3. Deneysel sonuçlar ve tartışma ... 119
5. SONUÇLAR ...
1355.1. Çatlama ve Kendiliğinden İyileşmenin Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Gaz Geçirimliliği Ö zelliği Üzerine Etkileri ... 135
5.2. Suya Doygun Hafif Agrega İlavesinin Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Kendiliğinden İyileşme Kabiliyeti Üzerindeki Etkinliğinin Belirlenmesi ... 136
5.3. Çimento Esaslı Kompozitlerde Kendiliğinden İyileşmenin Tekrarlanabilirliği ve Yaygınlığı ... 137
5.4. Sönmüş Kireç Kullanımının Yüksek Hacimde Uçucu Kül İçeren Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerin Kendiliğinden İyileşme Kabiliyeti Üzerine Etkileri ... 139
KAYNAKLAR ... 141
ÖZGEÇMİŞ ... 148
ÇİZELGELERİN LİSTESİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 1.1. ECC malzemesinin tipik karışım tasarımı ... 7
Çizelge 1.2. Geleneksel beton ile ECC'nin özelliklerinin karşılaştırılması ... 9
Çizelge 2.1. ECC karışımlarının sürekli su kürü öncesi ve sonrası mekanik özellikleri……….. 37
Çizelge 3.1. Portland çimentosu ve puzolanik malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri ... 42
Çizelge 3.2. ECC üretiminde kullanılan PVA lifinin mekanik ve geometrik özellikleri ... 47
Çizelge 4.1. ECC karışım oranları ve temel mekanik özellikler... 53
Çizelge 4.2. ECC karışımlarının çatlak özellikleri, gaz geçirimliliği ve rezonant frekansı değerleri ... 62
Çizelge 4.3. ECC karışım oranları ... 79
Çizelge 4.4. 28 gün sonunda ECC karışımlarının mekanik özellikleri ... 83
Çizelge 4.5. ECC karışımlarının çatlak sayısı ve genişliği ... 85
Çizelge 4.6. ECC karışımlarının yarmada çekme dayanımı, deformasyon ve rijitlik değerleri ... 89
Çizelge 4.7. ECC karışımlarının klorür iyonu geçirimliliği ... 92
Çizelge 4.8. ECC karışım oranları ... 96
Çizelge 4.9. ECC numunelerinin hızlandırılmış klorür iyonu geçirimlilik sonuçları ... 106
Çizelge 4.10. Önyükleme yapılmış ve kendiliğinden iyileşmiş ECC numunelerinin çatlak özellikleri ... .. 111
Çizelge 4.11. ECC karışım oranları ... 116
Çizelge 4.12. ECC numunelerinin hızlı klorür iyonu geçirimlilik test sonuçları ... 125
Çizelge 4.13. Önyüklenmiş ve iyileşmiş ECC numunelerinin çatlak özellikleri... 129
ŞEKİLLERİN LİSTESİ
Şekil Sayfa Şekil 1.1. Eksenel çekme yükleri altında çimento bağlayıcılı malzemelerin
davranışları... 6 Şekil 1.2. ECC’nin (a) tipik çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisi ve
(b) çatlak genişliği gelişimi... 8 Şekil 1.3. Şekil değiştirme sertleşmesi gösteren kompozit için tipik çatlak
köprüleme gerilmesi-çatlak açıklığı eğrisi: Taralı alan tamamlayıcı enerjiyi (J’b); gölgeli alan ise çatlak ucu tokluğunu (Jtip) ifade
etmektedir... 12 Şekil 2.1. Farklı eksenel çekme şekil değiştirme seviyelerinde ECC
numunelerinin su geçirimlilik katsayılarındaki değişimler... 16 Şekil 2.2. Farklı kür koşulları ve test süreleri sebebiyle ECC karışımlarının
klorür iyon geçirimlilik sonuçlarındaki yüzdesel değişimler... 19 Şekil 2.3. ECC karışımlarının farklı kür koşulları ve süreleri sebebiyle
klorür iyonu geçirimlilik sonuçlarındaki yüzdelik değişimler ... 21 Şekil 2.4. ECC ve harç numunelerinin önyükleme sonucunda difüzyon
katsayılarındaki değişimler ... 23 Şekil 2.5. 30 günlük sodyum klorür kürü sonrasında farklı önyükleme
deformasyon seviyelerine göre hesaplanan etkin difüzyon katsayıları... 25 Şekil 2.6. Kendiliğinden iyileşmenin en düşük ve en fazla sayıda çatlağa
sahip ECC numunelerinin kılcal su emme sonuçları üzerindeki etkisi... 27 Şekil 2.7. Alkali maruziyetinin ECC’nin çekme davranışı üzerine etkileri
(a) alkali maruziyeti olmadan (b) %1,0’lik önyükleme ve alkali maruziyeti sonrasında (c) %2,0’lik önyükleme ve alkali maruziyeti
sonrasında... 31 Şekil 2.8. Buz çözücü tuzların varlığında donma-çözülme
döngülerinin ECC numunelerinin çekme davranışı üzerine etkileri ... 32 Şekil 2.9. Farklı kür ve yükleme koşullarının ECC karışımlarının eğilme
dayanımı-sehim davranışı üzerine etkileri ... 36 Şekil 2.10. Farklı kür koşullarının ECC karışımlarının yarmada çekme
yük-deformasyon davranışlarına etkisi ... 38 Şekil 3.1. Farklı çalışmalar sırasında kullanılan tüm katı malzemelerin
tanecik boyut dağılımları ... 42
Şekil Sayfa Şekil 4.1. Dört noktalı eğilmede çekme testi için deney düzeneği ... 55 Şekil 4.2. Yarmada çekme deney düzeneği ... 58 Şekil 4.3. Rezonant frekansı ölçümlerinin şematik gösterimi (birimler mm cinsinden) 60 Şekil 4.4. 30 günlük ilave kür sonrası ECC’lerin GG sonuçlarındaki yüzdesel
değişimler... 65 Şekil 4.5. 30 günlük ilave kür sonrası ECC’lerin RF sonuçlarındaki yüzdesel
değişimler... 69 Şekil 4.6. 30 günlük ilave kür sonrasında toplam çatlak açıklıklarındaki (TÇA)
yüzdesel değişimler... 72 Şekil 4.7. ECC karışımlarının tipik eğilme gerilmesi-sehim grafikleri ... 84 Şekil 4.8. Sağlam ve önyüklenmiş ECC numunelerinin tipik yarmada
çekme gerilmesi-sehim grafikleri... 90 Şekil 4.9. 28 günlük ECC numunelerinin eğilme gerilmesi-sehim eğrileri ... 97 Şekil 4.10. Tekrarlı önyükleme ve akabinde gelen I/K döngüleri
sonucunda RF ölçümlerindeki yüzdesel değişimler ... 101 Şekil 4.11. ECC numunelerinin tekrarlı önyükleme ve sonrasında gelen I/K
döngüleri sonucu klorür iyonu geçirimlilik sonuçlarındaki
yüzdesel değişimler... 107 Şekil 4.12. ECC numunelerinin yüzdesel olarak toplam çatlak kapanma oranları... 112 Şekil 4.13. Tekrarlanan önyüklemeler ve sonrasında uygulanan I/K
döngülerinden sonra RF değerlerindeki yüzde sel değişimler ... 119 Şekil 4.14. Tekrarlanan önyüklemeler ve sonrasında uygulanan I/K
döngülerinden sonra HKİG test sonuçlarındaki yüzdesel değişimler ... 127 Şekil 4.15. ECC numunelerinde oluşan en büyük çatlakların kapanma oranla rı... 130
RESİMLERİN LİSTESİ
Resim Sayfa Resim 1.1. Otojen kendiliğinden iyileşmeye sebep olabilecek çeşitli
mekanizmalar ... 4 Resim 1.2. ECC’nin eğilme yükleri altındaki davranışı ... 9 Resim 1.3. Kararlı durum düz çatlak ve Griffith tipi çatlak oluşumu... 10 Resim 2.1. ECC numunulerinin (a) su geçirimlilik testi öncesi ve
(b) sonrasındaki mikroskobik görüntüleri... 17 Resim 2.2. 60 günlük SS kürü öncesi ve sonrasında ECC numunelerinin
görüntüleri, SEM fotoğrafları ve kendiliğinden iyileşme ürünlerinin
EDX analizleri... 22 Resim 2.3. 30 gün boyunca NaCl solüsyonuna maruz bırakılmalarının öncesi
ve sonrasında ECC numunelerindeki mikroçatlaklarda gözlemlenen
kendiliğinden iyileşme ürünleri ... 24 Resim 2.4. SS kürüne maruz bırakılmalarının ardından mikroçatlaklarda
gözlemlenen nihai kendiliğinden iyileşme ürünleri ... 28 Resim 2.5. Tork anahtarı (a), kalıcı yükün uygulanması (b) ve
numunelerin kür edilmesi (c) ... 35 Resim 3.1. CEM I 42,5R Portland çimentosunun (a) dijital kamera ve
(b) SEM görüntüsü... 41 Resim 3.2. F-sınıfı uçucu kül taneciklerinin (a) dijital kamera ve (b) SEM görüntüsü. 43 Resim 3.3. C-sınıfı uçucu kül taneciklerinin (a) dijital kamera ve (b) SEM görüntüsü 43 Resim 3.4. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu taneciklerinin
(a) dijital kamera ve (b) SEM görüntüsü ... 44 Resim 3.5. Genleştirilmiş perlit agregasının görüntüsü ... 45 Resim 3.6. Mikro-kuvars kumunun görüntüsü ... 46 Resim 3.7. ECC karışımlarının üretiminde kullanılan (a, b, c) PVA liflerinin ve
(d) lif yüzeylerindeki su itici kaplamanın taramalı elektron mikroskobu
(SEM) altındaki görüntüsü... 47 Resim 3.8. 25 litre kapasiteli harç mikserinde ECC üretimi (a) katı
malzemelerin karıştırılması (b) suyun eklenmesi
(c) YOSA katkı eklenmesi (d) lif eklenmesi... 49
Resim Sayfa Resim 3.9. 100 litre kapasiteli tava tipi beton mikseri kullanılarak ECC üretimi ... 50 Resim 4.1. Kalıplarından çıkarıldıktan sonra (a) kübik ECC numuneleri
(b) numunelerin üretimden sonra muhafaza edilmeleri
(c) basınç dayanımı testi ... 54 Resim 4.2. (a) Video ekstensometre ve (b, c) deflaktometrelerin görünümü ... 56 Resim 4.3. Tipik bir ECC numunesinin dört noktalı eğilmede çekme
testi sırasında davranışı ... 56 Resim 4.4. Optik mikroskop aracılığıyla çatlak özelliklerinin değerlendirilmesi ... 58 Resim 4.5. (a) Gaz geçirimliliği test cihazı (b) dairesel basınç hücresinin şematik
gösterimi ... 59 Resim 4.6. 1,75 mm deformasyona maruz bırakılan ECC’lerin 30 günlük
ilave SS kürü sonrasındaki SEM resimleri ... 74 Resim 4.7. ECC karışımlarındaki kendiliğinden iyileşme ürünlerinin XRD
grafikleri... 75 Resim 4.8. SD-GPA’ların ECC karışımlarının en kesitinden görünümleri ... 78 Resim 4.9. Kalıbından çıkarıldıktan sonra (a) Ø100×200 mm boyutlarındaki
silindir numunenin görüntüsü (b) numunelerin sürekli su kürüne
maruz bırakılmaları ... 80 Resim 4.10. 28 günde sonunda 1,25 mm deformasyon seviyesine kadar
önyükleme yapılan ECC1,2_UK-F_20 disk numunesinde (a) mikroçatlakların oluşumu (b) mikroçatlakların mikroskop
altındaki görüntüsü... 81 Resim 4.11. (a) HKİG testlerinde kullanılmak üzere hazırlanan disk numuneler
(b) HKİG testi deney düzeneği ... 82 Resim 4.12. ECC mikroçatlaklarının ilave hava kürü uygulanmasından
(a) önceki ve (b) sonraki durumları ve kendiliğinden iyileşmesi ... 87 Resim 4.13. (a) Silindirik RF numunelerinin önyüklenmesi ve sonrasında
önyükleme yapılan kenarlara silikon uygulanması (b) RF deney düzeneğinin ölçüm noktalarının şematik gösterimi (birimler mm
cinsinden) (c) farklı derinliklerden RF ölçümlerinin alınması ... 98 Resim 4.14. Silindirik ECC numunelerinin (a) ıslanma (b) kuruma
döngülerine maruz bırakılmaları ... 99
Resim Sayfa Resim 4.15. 3 günlük ECC numunelerinin mikroçatlaklarında gözlemlenen
kendiliğinden iyileşme ... 112 Resim 4.16. Ultrasonik karıştırıcının kullanımı... 116 Resim 4.17. ECC mikroçatlaklarının önyükleme öncesi ve I/K döngüleri
sonrasındaki görünümleri... 131 Resim 4.18. ECC karışımlarındaki kendiliğinden iyileşme ürünlerinin
XRD analiz sonuçları ... 132
SİMGELER VE KISALTMALAR
Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.
Simgeler Açıklamalar
µ Oksijenin viskozitesi
A Disk numunenin en kesit alanı
Em Harç matrisin elastik modülü
J’b Tamamlayıcı enerji
Jtip Harç matrisin kırılma enerjisi
K Gaz geçirimlilik katsayısı
Km Harç matrisin kırılma tokluğu
L Disk numunenin kalınlığı
Pa Çıkış gaz basıncı
Pi Giriş gaz basıncı
Qi Hacimsel gaz akış oranı
δ0 Maksimum çatlak köprüleme gerilmesindeki açıklık
σ0 Maksimum çatlak köprüleme gerilmesi
σfc Harç matrisinde ilk çatlak oluşum dayanımı
Kısaltmalar Açıklamalar
C Coulomb
CaCO3 Kalsiyum karbonat
CH Sönmüş kireç
C-S-H Kalsiyum silikat hidrat jeli
D/Ç Donma-çözülme döngüsü
ECC Tasarlanmış çimento bağlayıcılı kompozitler
EDX Enerji ayrımlı X-ışını analizi
GG Gaz geçirimlilik testi
GPA Genleştirilmiş perlit agregası
GYFC Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu
Kısaltmalar Açıklamalar
HKİG Hızlı klorür iyonu geçirimlilik testi
I/K Islanma-kuruma döngüsü
PÇ Portland çimentosu
PM/PÇ Puzolanik malzeme-portland çimentosu oranı
PVA Polivinil alkol lifi
RF Rezonant frekansı testi
S/BM Su-bağlayıcı malzeme oranı
SD-GPA Suya doygun genleştirilmiş perlit agregası
SEM Taramalı elektron mikroskobu
SH Sürekli hava kürü
SS Sürekli su kürü
TÇA Toplam çatlak açıklığı
UK-C C-sınıfı uçucu kül
UK-F F-sınıfı uçucu kül
XRD X-ışını kırınım analizi
YOSA Yüksek oranda su azaltıcı katkı
1. GİRİŞ
19. yüzyılda endüstriyel amaçlar için pratik bir şekilde kullanılmaya başlamasıyla birlikte beton malzemesi, tüm dünyada en çok tercih edilen yapı malzemesi haline gelmiştir.
Üretimi için gerekli bileşenlerin kolay temin edilebilir oluşu ve çok yönlülüğü sayesinde beton malzemesinin üretimi her geçen gün artmaktadır. Ayrıca, sürekli olarak artan nüfus ve sanayileşme sebebiyle üretimin gelecekte de artarak devam etmesi beklenmektedir.
İnşaat endüstrisindeki popülaritesine rağmen, beton her anlamda kusursuz bir malzeme değildir ve tek başına yaygın bir şekilde kullanılmasının önündeki en dezavantajlı özellik olarak basınç dayanımına kıyasla oldukça düşük olan çekme dayanımı gösterilmektedir.
Bu sebeple, neredeyse tüm dünyadaki inşaat uygulamalarında da karşılaşılabileceği üzere, beton malzemesi içine gömülen donatı çeliği ile birlikte (betonarme) kullanılmaktadır.
Beton ve çelik arasında her ne kadar uyumlu bir etkileşim bulunsa da, geleneksel beton malzemesinin oldukça düşük çekme yük taşıma kapasitesi ve sünekliği sebebiyle, dayanıklılık ve mekanik özelliklerle alakalı sorunlar tekrarlı bir şekilde ortaya çıkarak yapısal hizmet ömrünü olumsuz etkilemektedir. Çoğu zaman çatlak oluşumuyla ilişkilendirilen ve servis ömrünün azalmasına sebep olan bu sorunlar, altyapılarda bozulan kısımların hızlı ve etkili bir şekilde bakım ve/veya onarımını gerektirmektedir.
Beton altyapıların çeşitli sebeplerle bozulması tüm dünyada yaygın olarak karşılaşılan bir durum haline gelmiştir. Altyapılarda gözlemlenen çeşitli bozulma tiplerinin boyutları ciddi seviyelere ulaşmış durumdadır öyle ki birçok ülkede bakım/onarım işleri için harcanan para yeni inşaat uygulamalarına ayrılan miktarın çok üstüne çıkmıştır. Durumu örneklemek gerekirse, bakım, onarım ve bozulmakta olan yapıların değiştirilmesi için ayrılan miktarın sadece ABD’de yıllık 18-21 milyar dolar civarında olması beklenmektedir. Önümüzdeki beş yıl içerisinde bakım/onarım işlemlerine ayrılan miktarın ABD altyapısı için 2.2 trilyon dolar, Asya altyapısı için ise 2 trilyon dolar seviyesine ulaşması beklenmektedir. Tüm bunlara ek olarak, onarım uygulamalarının uzun ömürlü olmadığı belirtilmektedir öyle ki geleneksel tamir malzemeleriyle yapılan onarım işlemlerinin yaklaşık yarısının saha şartlarında tamamen göçtüğü ya da yeniden bakım gerektirdiği belirtilmektedir (Mather ve Warner, 2003). Beton altyapılarında gözlemlenen bozulmalar, toplumları sadece ekonomik yönden değil sosyal ve çevresel olarak da ciddi ölçüde etkilemektedir. Bu sebeplerden dolayı, beton yapılarda oluşan hasarın denetlenmesi ve sürdürülebilirliğin sağlanabilmesi için uygulanabilecek çeşitli bakım/onarım tekniklerinin detaylı bir şekilde bilinmesi
gittikçe önem arz eden konular arasında yer bulmaya başlamıştır. Ancak, denetleme ve bakım/onarımın sürekli bir şekilde yapılması ihtiyaç duyulan aşırı iş gücü ve kaynak sebebiyle özellikle büyük çaplı beton altyapılarında oldukça zor olabilmektedir. Ayrıca, çeşitli yapıların farklı bölgelerinde oluşan hasarın bakım/onarımı ulaşılabilirlik bakımından her zaman elverişli olmayabilmektedir. Özellikle, otoyol ve tüneller gibi sürekli hizmet halinde olan altyapılarda bakım işlemi oldukça zor hatta belirli bir süre imkansız olabilmektedir. Diğer taraftan, büyük çaplı altyapılarda bakım/onarım işlemleri uygulanabilir olsa da ihtiyaç duyulan iş gücü ve ekonomik gereksinimlerin aşırılığı caydırıcı olabilmektedir. Bu koşullar altında, yapılarda gözlemlenen ve performansı önemli ölçüde etkileyen hasarın (ör. çatlaklar), aşırı iş gücü ve kaynak gereksinimine ihtiyaç duyulmadan kendi kendini onarabilmesi (kendiliğinden iyileşmesi) önem verilmesi gereken konulardan biri olarak karşımıza çıkmaktadır.
Son yıllarda inşaat mühendisliği alanında çalışan birçok araştırmacı için kendiliğinden iyileşme oldukça önem arz eden bir konu haline gelmiştir. Kendiliğinden iyileşmenin izleri kamusal altyapılarda her ne kadar yaklaşık yüzyıl önce gözlemlenmiş olsa da (Lauer ve Slate, 1956; Nijland ve diğerleri, 2007), konuyla alakalı çalışmalar özellikle son yirmi yıl içerisinde hız kazanmaya başlamıştır (Li ve Herbert, 2012; Van Tittelboom ve De Belie, 2013). Kendiliğinden iyileşme çalışmalarının son yıllarda hız kazanmasının arkasındaki temel sebep olarak, yukarıda da açıklandığı üzere tekrarlı bakım/onarım gerektiren ve kalitesiz, dayanıksız ve düşük servis ömrüne sahip geleneksel betonla üretilen altyapılardaki bozulmalar gösterilmektedir. Bu bağlamda, beton altyapılarda hasarın (çatlakların) kendiliğinden iyileşme aracılığıyla onarılmasının bozulma oranını ve onarım sıklığını azaltarak nihai yapısal servis ömrünü arttırması beklenmektedir (Li ve Herbert, 2012).
Yapısal servis ömrü üzerindeki olumlu etkileri sebebiyle, kendiliğinden iyileşmenin tetiklenebilmesi için son yıllarda çeşitli araştırmacılar tarafından oldukça yeni yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin detaylı bir şekilde tartışıldığı birçok derleme makalede halihazırda basılmış durumdadır (Li ve Herbert, 2012; Van Tittelboom ve De Belie, 2013;
Lv ve Chen, 2014; Wu ve diğerleri, 2012). Beton gibi çimento bağlayıcılı kompozit malzemelerde uygulanan farklı kendiliğinden iyileşme yöntemleri olarak, boş liflerin kullanımı, kimyasal malzemeler bulunduran kapsüllerin kullanımı, bakteri esaslı biyolojik kendiliğinden iyileşme, genleşen malzemeler ve mineral katkılar, biçim bellekli
malzemeler ve kontrollü mikroçatlak oluşumuyla tetiklenen otojen kendiliğinden iyileşme sayılabilir. Yukarıda sıralanan her bir kendiliğinden iyileşme yöntemi oldukça yenidir ve gelecekteki uygulamalar açısından büyük öneme sahiptir ancak her yöntemin kendi içerisinde zorlukları olduğu göz önüne alındığında, hangi yöntemin diğerinden daha üstün olduğu üzerine karar verebilmek kolay olmamaktadır. Ancak, Van Tittelboom ve De Belie (2012)’ye göre, gelecekteki kendiliğinden iyileşme çalışmaları, dar çatlak açıklıkları, kimyasal kompozisyon, çatlak oluşum anı vb. sebeplere bağlılık gösteren otojen kendiliğinden iyileşmeden ziyade daha yenilikçi yöntemler olan kapsül ve/veya boş liflerin kullanımı üzerine yoğunlaşacaktır. Diğer taraftan, halihazırdaki duruma bakıldığında, dar açıklıklı çoklu mikroçatlakların oluşumuyla tetiklenen otojen kendiliğinden iyileşmenin diğer yöntemlere kıyasla daha kararlı olduğu (Li ve Herbert, 2012) ve özellikle büyük altyapılarda yapısal kısıtlamalar sebebiyle ulaşılamayan alanlarında tamirini kolaylaştırması bakımından öne çıktığı görülmektedir.
Otojen Kendiliğinden İyileşmenin Muhtemel Sebepleri ve Çatlak Genişliğinin Önemi Beton benzeri çimento bağlayıcılı malzemelerde gözlemlenen otojen kendiliğinden iyileşme özelliğinin fiziksel, kimyasal ve mekanik orijinli olmak üzere üç temel sebebi bulunmaktadır (Reinhardt ve diğerleri, 2013). Bir çatlağın fiziksel olarak kapanabilmesi halihazırda var olan hidrate olmuş çimento hamurunun bileşenleri arasına fazladan su alarak “şişmesiyle” ilişkilendirilmektedir. Etkisi her ne kadar kısıtlı olsa da, şişme mekanizması aracılığıyla çatlak içerisinden sıvı akışında %10 civarında bir azalma olabilmektedir. Çatlak kapanmasından sorumlu olabilecek kimyasal sebeplere bakıldığında iki farklı mekanizmanın var olduğu görülmektedir: “devam eden ilave hidratasyon” ve
“kalsiyum karbonat oluşumu”. İlave hidratasyonun mekanizması iyi bilinmektedir ve hidrate olmamış çimento esaslı malzemelerin suyla reaksiyonuyla ilişkilidir. Ancak, devam eden ilave hidratasyon ve şişme etkisiyle 100 µm seviyesinden daha küçük açıklıklara sahip çatlakların her ne kadar kapanabildiği belirtilmiş olsa da (Reinhardt ve diğerleri, 2013), belirli bir çatlağın tamamen kapanması için hidratasyonun tek başına yeterli olmadığı söylenmektedir. Karşılıklı çatlak yüzeyleri arasında beyaz kalıntılar şeklinde kendini belli eden kalsiyum karbonat, hidratasyon ürünlerinden sızan Ca2+ iyonlarının su ve karbondioksit arasındaki reaksiyon sonucu ayrışarak oluşan bikarbonat ve/veya karbonat iyonlarıyla reaksiyona girmesiyle oluşmaktadır. Yine bir hidratasyon ürünü olan kalsiyum hidroksitin karbondioksit varlığından doğrudan karbonatlaşması da çatlaklarda
kalsiyum karbonat oluşumuna yardımcı olabilmektedir. Kalsiyum karbonatın oluşum oranı sıcaklık, reaksiyon bileşenlerinin konsantrasyonları, boşluk çözeltisinin pH değeri ve bunlara benzer parametrelere bağlılık göstermektedir (Edvardsen, 1999). Önceki çalışmalarda kendiliğinden iyileşmenin çimento esaslı matrisin devam eden hidratasyonuyla ilişkili olduğu belirtilmiş olsa da (Neville, 1995) daha sonra bu durumun sadece genç betonlar için geçerli olduğu ve ilerleyen yaşlarda kalsiyum karbonat oluşumunun çatlakların kapanmasında daha belirgin bir rol oynadığı gözlemlenmiştir (Neville, 2002). Düşük bir ihtimalle de olsa çatlaklar mekanik olarak da kapanabilmektedir öyle ki çatlakların kırılmış beton parçacıkları ve/veya su içerisinde halihazırda var olan tanecikler aracılığıyla kapandığı bazı durumlardan literatürde bahsedilmektedir. Çimento bağlayıcılı malzemelerde gözlemlenen otojen kendiliğinden iyileşmeye sebep olabilecek çeşitli mekanizmalar Resim 1.1’de gösterilmektedir.
Resim 1.1. Otojen kendiliğinden iyileşmeye sebep olabilecek çeşitli mekanizmalar (Reinhardt ve diğerleri, 2013)
Yukarıda da kısaca bahsedildiği üzere, bir beton malzemesinin kendi hasarını onarabilmesi genellikle kimyasal mekanizmalarla (ilave hidratasyon reaksiyonları ve kalsiyum karbonat oluşumu) ilişkilendirilmektedir. Çatlakların kapatılması konusunda her ne kadar iki mekanizmada oldukça etkili olsa da, taşınma özelliklerindeki değişimler genellikle kalsiyum karbonat oluşumuyla ilişkilendirilirken, mekanik özelliklerde gözlemlenen değişimler ise genellikle devam eden ilave hidratasyon reaksiyonlarıyla ilişkilendirilmektedir.
Etkin bir otojen kendiliğinden iyileşme performansı üzerinde önemli ölçüde etkisi olan çeşitli parametreler içerisinde, çatlakların tıkanması için çimento esaslı sistem tarafından
üretilecek nihai kendiliğinden iyileşme ürün miktarının daha az tutulması bağlamında, dar çatlak açıklıklarının ayrı bir yeri bulunmaktadır. Daha geniş açıklıklara sahip çatlakların varlığında, üretilecek kendiliğinden iyileşme ürünleri için gerekli alanın fazla olması ve ürünlerin oluşması için gerekli malzemelerin çatlak içerisine daha kolay girebilmesi sebeplerinden ötürü kendiliğinden iyileşme hızının daha yüksek olması beklenmektedir (Gagne ve Argouges, 2012). Ancak, çatlak açıklıklarının fazla olması tam anlamıyla bir iyileşme için yüksek hacimlerde kendiliğinden iyileşme ürünün üretilmesi anlamına gelmektedir. Büyük açıklıklı çatlakların varlığında kendiliğinden iyileşme her ne kadar daha hızlı olsa da, tüm açıklığın kapanamaması durumunda çatlaksız durumdaki orijinal dayanıklılık ve mekanik özelliklerin geri kazanılması mümkün olmayabilmektedir. Dar açıklıklı çatlakların daha kolay bir şekilde iyileşebileceğini düşünmek her ne kadar daha mantıklı görünse de, otojen kendiliğinden iyileşme aracılığıyla kapanabilecek maksimum izin verilebilir çatlak açıklığı değerleri için literatürde farklı değerler belirtilmiştir.
Örneğin, Jacobsen ve diğerleri (1995), bir çatlağın tamamen kapanabilmesi için maksimum açıklığın 5-10 µm olması gerektiğini öne sürmüştür. Ismail ve diğerleri’ne (2004) göre ise bu değer 53 µm’dur. Öte yandan Reinhardt ve Jooss (2003), Edvardsen (1999), Aldea ve diğerleri (2000) ve Clear (1985) çalışmalarında bir çatlağın tamamen kapanabilmesi için açıklıklarının sırasıyla 100 µm, 200 µm, 205 µm ve 300 µm seviyelerinin üzerine çıkmaması gerektiğini belirtmiştir. Yukarıda belirtilen çalışmaların tümünde, tam manasıyla bir iyileşme elde edilebilmesi için en önemli parametrenin kabul edilebilir çatlak genişliği olduğu vurgulanmaktadır. Ancak, mekanik yüklemeler altında çatlak genişliği kontrolü olmayan ve gevrek davranış sergileyen geleneksel betonların dar açıklıklı çatlak oluşturma imkanları neredeyse sıfıra yakındır.
Dar Mikroçatlak Hasarının Elde Edilebilmesi için Yüksek Performanslı Lif Donatılı Çimento Bağlayıcılı Kompozitler (YPLDÇK)
Son on yıl boyunca beton teknolojisi hızlı bir gelişme göstermiştir. Betonun kırılgan (gevrek) yapısını iyileştirmek için yapılan çalışmalar, eksenel çekme yüklemeleri altında sünek davranış sergileyen yüksek performanslı lif donatılı çimento bağlayıcılı kompozitlerin (YPLDÇK) ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Geleneksel beton eksenel çekme yükleri altında ilk çatlak oluşumundan hemen sonra aniden gevrek bir biçimde kırılmaktadır (Şekil 1.1). Geleneksel lif donatılı betonda ise matristeki çatlamayı şekil değiştirme yumuşaması olarak bilinen yük taşıma kapasitesindeki düşüş eğrisi takip
etmektedir (Şekil 1.1’de daha aşağıda bulunan eğri). YPLDÇK’de, ilk çatlak oluşumundan sonra, lifler fazladan yükü matrise transfer edebilmektedir. Yüklemedeki artış ile birlikte, 100 μm’dan daha dar çatlak genişliğine sahip çoklu mikro-çatlaklar oluşmakta ve betonun şekil değiştirme kapasitesi önemli ölçüde artmaktadır. Bu sebeple, çekme gerilmesi-şekil değiştirme eğrisi metallerde olduğu gibi sünek malzemelere benzer şekilde çatlak sonrası şekil değiştirme sertleşmesi göstermektedir (Şekil 1.1’de üstteki eğriler). Sünek davranışın (elastik olmayan şekil değiştirme) elde edilebilmesi için gerekli malzeme ve geometrik parametreler (lif, matris, lif-matris arayüzü, lif geometrisi ve lif hacimsel oranı gibi özellikler) Li ve Leung (1992) tarafından öngörülmüş ve Li (1993) ve Li ve Kanda (1998) tarafından geliştirilmiştir.
Şekil 1.1. Eksenel çekme yükleri altında çimento bağlayıcılı malzemelerin davranışları Parametrelerin uygun olarak seçilmesiyle, lif oranı %1,5 ile %5 arasında değişen farklı dayanımlara sahip sünek kompozitler üretilebilmektedir. YPLDÇK’nin maksimum eksenel çekme gerilmesindeki şekil değiştirmesi olarak tanımlanan sünekliği, matrisin tokluğu ve liflerin gerilmeyi matrise etkin bir şekilde aktarmasıyla (mikroyapısal parametrelere bağlı) ilişkilidir (Li, 1997). Normal şartlarda, belirli lif yüzdesinde, yüksek matris tokluğu, daha düşük sünekliğin elde edilmesine sebep olmaktadır. Uygulamaya bağlı olarak, dayanım ve süneklik ihtiyaçlarını karşılayan en uygun çekme gerilmesi-şekil değiştirme ilişkisi çeşitlilik gösterebilir. Literatürde, YPLDÇK’ler araştırmacılar tarafından farklı isimlerle adlandırılmıştır. Tasarlanmış çimento bağlayıcılı kompozitler (buradan itibaren İngilizce isminin kısaltması olan [Engineered Cementitious Composites] – ECC olarak
kullanılacaktır) YPLDÇK’lerin çok özel bir türü olup hacimsel olarak %2 oranında lif kullanımı ile eksenel çekme yüklemesi altında %3 ile %5 arasında çekme birim şekil değiştirme deformasyonu gösterebilmektedir. Bu değer, geleneksel betonun ve lif donatılı betonun çekme şekil değiştirme kapasitesinin yaklaşık 300 ile 500 katı kadardır. ECC ilk çatlaktan sonra şekil değiştirme sertleşmesi sergilemekte ve bu özelliği ile betondan öte sünek bir metal davranışı sergilemektedir. Öte yandan, ECC hasarlara karşı oldukça toleranslı olup şiddetli eğilme ve çekme yükleri altında da sünekliğini korumaktadır. Yük altındaki çatlak genişliği lifli betonlarda 500-750 μm seviyelerinde iken, bu değer ECC için 100 μm'dan az olmaktadır. Bu ise ECC’nin diğer beton türlerine kıyasla çevresel şartlar altında da daha dayanıklı ve mekanik yüklemeler altında bile çok daha düşük geçirimliliğe sahip olmasını sağlamaktadır (Şahmaran ve diğerleri, 2007; Şahmaran ve Li, 2007). Ayrıca, ECC’nin eksenel çekme yüklemeleri altında 100 μm’dan daha dar açıklıklı çatlak oluşumu sergilemesi, üstün kendiliğinden iyileşme performansı bakımından malzemeyi eşsiz kılmaktadır.
Çizelge 1.1. ECC malzemesinin tipik karışım tasarımı
Çimento Su Kum Uçucu Kül SA* Lif (%)
1,00 0,58 0,80 1,20 0,013 2,00
*= süperakışkanlaştırıcı; lif hariç tüm bileşenlerin ağırlıkça oranları.
ECC’nin bileşenleri geleneksel lif donatılı betona benzer olmasına rağmen, ECC’nin mikroçatlaklar aracılığıyla göstermiş olduğu şekil değiştirme sertleşmesi özelliği, bileşenleri (çimento, kum ve lif) arasındaki arayüz özelliklerinin kontrolü ve mikro- mekanik uyarlamalar yoluyla elde edilmektedir (Mehta, 1994; Emmons ve Vaysburd, 1995; Morgan, 1996; Mather ve Warner, 2003). Çimento bağlayıcılı matrisin kırılma özellikleri karışım oranları sayesinde dikkatlice kontrol edilmektedir. Dayanım, elastisite modülü ve en-boy oranı gibi lif özellikleri ECC’de kullanım amacıyla isteğe göre uyarlanmıştır. Ayrıca, lif ve matris arasındaki arayüz özellikleri de bu malzemede kullanılmak üzere üreticiyle işbirliği yapılarak optimize edilmiştir. Poli-vinil-alkol (PVA) lifler kullanılarak üretilen tipik ECC’nin karışım oranları Çizelge 1.1’de verilmiştir.
Birçok yüksek performanslı lif donatılı çimento bağlayıcılı kompozit malzeme yüksek performans elde edebilmek için yüksek hacimde life ihtiyaç duymasına rağmen, ECC üretiminde hacimce %2 oranında, kısa süreksiz lifler kullanılmaktadır. ECC üretiminde
düşük hacimde lif kullanımı ile beraber, yaygın bileşenlerin kullanımı ile inşaat uygulamalarında esnekliğe olanak sağlanmaktadır. Bugüne kadar, ECC malzemelerinin, kendiliğinden yerleşen dökümler, ekstrüzyon, püskürtme ve geleneksel karıştırıcı ya da hazır beton kamyonu kullanılarak üretimi gerçekleştirilmiştir (Emmons ve diğerleri, 1993;
Li ve Stang, 2004; Vaysburd ve Emmons, 2004; Li ve Li, 2009). Üretiminde %2 oranında PVA lif içeren ECC’nin tipik bir eksenel çekme gerilmesi – birim şekil değiştirme eğrisi Şekil 1.2a’da gösterilmektedir (Heiman ve Koerstz, 1991).
Şekil 1.2. ECC’nin (a) tipik çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisi ve (b) çatlak genişliği gelişimi
Şekilden görüleceği üzere ilk çatlaktan sonra karakteristik şekil değiştirme sertleşmesi özelliği çoklu mikroçatlak özelliği ile birlikte meydana gelmiştir. Plastik deformasyon sırasında meydana gelen çatlakların gelişimi de Şekil 1.2b’de gösterilmiştir. Şekil 1.2b’den görüleceği üzere çatlak genişliği azami yük taşıma kapasitesinde dahi 100 µm seviyesinin çok altında kalmıştır. ECC’de meydana gelen dar çatlak genişliği kendiliğinden kontrollü olup çelik donatı oranından bağımsızdır. Çok aşırı eğilme yüklemelerinde, ECC kiriş numunesi plastik deformasyon göstererek sünek bir metal gibi deformasyon göstermektedir (Resim 1.2). Basınç yüklemeleri altında ise ECC malzemesi normal veya yüksek dayanımlı betona benzer basınç dayanımı göstermektedir (Vaysburd ve Emmons, 2004). ECC'nin geleneksel (basınç dayanımı yaklaşık 30-60 MPa arasında ve lif içermeyen) betona kıyasla diğer avantajları Çizelge 1.2'de özetlenmiştir.
Resim 1.2. ECC’nin eğilme yükleri altındaki davranışı
Çizelge 1.2. Geleneksel beton ile ECC'nin özelliklerinin karşılaştırılması
Özellikler Geleneksel Beton ECC
Boyutsal uyumluluk Zayıf Geleneksel betonla çok uyumlu Şekil değiştirmesi kapasitesi 0,01% - 0,02% ~2-5% (yaklaşık 200-500 kat
daha sünek) Eğilmede çekme dayanımı
(MPa)
5-8 10-14 (yaklaşık iki kat daha yüksek)
Basınç Dayanımı (MPa) 30-60 40-150 (üç kata kadar daha yüksek)
Kısıtlanmış rötre çatlak genişliği
1 mm 0,03 mm
Geçirimlilik (m/s) 1,7 x 10-5 2,5x10-10 (çok düşük geçirimlilik)
Dona karşı dayanım Hava
sürüklenmişse iyi
En az hava sürüklenmiş beton kadar dayanıklı
Yorulma mukavemeti Zayıf Geleneksel betona oranla onlarca kat daha iyi
Çatlama/Tabakalanma Korozyona dayanım
Darbe dayanımı
Gevrek Zayıf Zayıf
Sünek Üst Düzey Üst Düzey
ECC’nin mikro-mekanik tabanlı tasarım yaklaşımı
ECC tasarımında birinci öncelik yük altında kompozitin çoklu mikro çatlak oluşumu ve şekil değiştirme sertleşmesi davranışı sağlamasıdır. Bu durum büyük deformasyonların
çoklu mikro-çatlakların üzerine yayılmasına izin verir. ECC'de şekil değiştirme sertleşmesi özelliği ve çoklu çatlamanın dayanağı olan kararlı durum düz çatlak yayılması ilk kez Marshall ve Cox (1988) tarafından nitelendirilmiş, ardından Li ve Leung (1992) tarafından lif donatılı çimento bağlayıcılı kompozitlere uyarlanmıştır. Griffith tipi çatlak oluşumundan (şekil değiştirme yumuşaması sergileyen lif donatılı betonlarda olduğu gibi çatlak yayılırken aynı anda genişliği artmakta) farklı olarak, kararlı durum düz çatlak (çatlak yayılırken genişliği sabit kalmakta) oluşumu sayesinde ECC aşırı çekme deformasyonları altında şekil değiştirme sertleşmesi davranışı sergilerken tüm numuneye yayılmış çoklu mikro çatlak davranışı sergilemektedir (Resim 1.3). Çoklu kararlı durum çatlak oluşumu matris kırılma tokluğu ile birlikte “Çatlak Köprüleme Dayanımı - Çatlak Açıklığı” ilişkisi ile yönetilmektedir. Bu durumun elde edilebilmesi için aşağıda sunulan denklemin sağlanması gerekmektedir.
Resim 1.3. Kararlı durum düz çatlak ve Griffith tipi çatlak oluşumu (Li ve Leung, 1992)
m m tip
b E
J K d J
2
0 0 0 '
0
)
(
(1)Bu denklemde J’b tamamlayıcı enerji (Şekil 1.3), σ0 ve δ0 maksimum çatlak köprüleme gerilmesi ve bu gerilmede meydana gelen çatlak açıklığı, Jtip harç matrisin kırılma enerjisi, Km harç matrisin kırılma tokluğu ve Em ise harç matrisin elastik modülüdür. Kırılma enerji kriterine ilaveten, aşağıdaki denklemde açıklanan dayanım kriterinin de sağlanması gerekmektedir.
fc
0
(2)
Bu denklemde σ0 maksimum çatlak köprüleme gerilmesi, σfc ise harç matrisinde ilk çatlak oluşum dayanımıdır. Yayılı çoklu çatlakların oluşabilmesi için, Wang ve Li (2004) dayanım kriterinin her bir çatlak düzleminde sağlanması gerektiğini bulmuşlardır.
Yukarıda detayları verilen enerji ve dayanım kriterlerinin her ikisini de sağlayan ECC karışımlar seçildiğinde çoklu kararlı durum düz çatlak oluşumu ve şekil değiştirme sertleşmesi davranışı gerçekleştirilebilmektedir. Ancak çoklu kararlı durum düz çatlakların oluşumuna ilaveten, kompozitte oluşacak çatlakların genişliklerinin sınır değeri olan 100 µm mertebesinin altında olması gerekmektedir. Bu durum yukarıdaki ilk denklemde verilen Çatlak Köprüleme Dayanımı-Çatlak Açıklığı İlişkisinin uygun hale getirilmesi ile elde edilebilmektedir. Şekil 1.3'te gösterildiği üzere ECC'nin çoklu çatlak davranışı esnasında sergileyeceği maksimum kararlı durum çatlak genişliğinin δ0 ve bu çatlak açıklığına karşılık gelecek maksimum çatlak köprüleme gerilmesinin σ0 olduğunu farz edelim. Çatlak genişliği δ0 değerini aşınca, çatlak köprüleme gerilmesi düşmeye başlayıp, bu durumda çatlak bölgeselleşip çoklu çatlak oluşumu meydana gelemeyecektir.
Maksimum kararlı durum çatlak genişliğinin δ0'ı sınır değeri olan 100 µm mertebesinin altında tutarak, ECC malzemesi çoklu çatlama davranışı sergilerken aynı anda dayanıklılık ve kendiliğinden iyileşme özellikleri için önemli olan dar çatlak genişliği özelliği de elde edilmiş olmaktadır.
Şekil 1.3. Şekil değiştirme sertleşmesi gösteren kompozit için tipik çatlak köprüleme gerilmesi-çatlak açıklığı eğrisi: Taralı alan tamamlayıcı enerjiyi (J’b); gölgeli alan ise çatlak ucu tokluğunu (Jtip) ifade etmektedir (Wang ve Li, 2004)
Yukarıda bahsedilen temel mikro-mekanik modeller kullanılarak ECC'nin çekme yükleri altında çoklu mikro çatlak oluşumu ile şekil değiştirme sertleşmesi davranışı sergilemesi sağlanmaktadır. Özetle, mikro-mekanik tabanlı malzeme tasarım yöntemlerinin uygulanması ile malzeme mühendislerine yüksek birim şekil değiştirme kapasitesi ve yüksek dayanıklılık gibi özel yapısal talepleri karşılamaya olanak sağlayacak imkanlar yaratılabilmektedir. Literatürde ECC'nin mikro-mekanik tabanlı tasarım yaklaşımı ile ilgili çok daha kapsamlı bilgiler bulunabilir.
Önceki bölümlerde de değinildiği üzere, ECC malzemesinin çekme yükleri altında çoklu mikro çatlak oluşumu ile şekil değiştirme sertleşmesi davranışı sergilemesi için mikro- mekanik tabanlı tasarım modelleri kullanılmaktadır. Özetle belirtmek gerekirse, malzemenin aşırı yükleme koşullarında dahi mikroçatlak hasarı sergilemesi üstün mekanik ve dayanıklılık özelliklerine ek olarak kendiliğinden iyileşme gibi oldukça yenilikçi özellikleri de beraberinde getirmektedir. Bir sonraki bölümden de görülebileceği gibi, ECC malzemesinin çoklu mikroçatlaklar oluşturmak suretiyle tetiklediği otojen kendiliğinden iyileşme davranışı literatürde birçok araştırmacı tarafından çok farklı test yöntemleri ve ortam koşulları altında değerlendirilmiştir. Bu tezin temel amaçlarından bir tanesi literatürde bulunan bu çalışmaları tekrar etmekten ziyade, ECC malzemesinin otojen kendiliğinden iyileşme davranışının değerlendirilebilmesi amacıyla literatürde henüz kullanılmamış test teknikleri ve kür yöntemlerini kullanarak kendiliğinden iyileşme davranışını gözlemlemektir. Bu bağlamda, çalışmalar kapsamında literatürde ilk defa ECC
malzemesinin kendiliğinden iyileşme davranışı gaz geçirimlilik ölçümleri cinsinden değerlendirilmiştir. Yine literatürde ilk defa otojen kendiliğinden iyileşme davranışının nemin olmadığı neredeyse tamamen kuru çevresel koşullar altında dahi etkin hale getirilebilmesi için suya doyurulmuş hafif agregalar içsel kürleme amacıyla kullanılmıştır.
Tezin bir diğer amacı ise ECC’de otojen kendiliğinden iyileşme davranışının ne ölçüde kararlı olduğuna açıklık getirmektir. Literatürde gerçekleştirilen tüm kendiliğinden iyileşme çalışmalarında, tekil bir önyükleme sonucunda sadece belirli bir bölgede oluşturulan çatlakların kendiliğinden iyileşme davranışları incelenmektedir. Ancak, çatlak oluşumunun gerçek yapıların hangi bölgesinde, ne şekilde ve kaç kere oluşacağı kesin olarak bilinememektedir. Bu sebeple, kendiliğinden iyileşme davranışının tekrarlanabilir ve yaygın olması oldukça büyük önem teşkil etmektedir. Tez kapsamında bu bağlamda literatürde ilk defa gerçekleştirilen çalışmalarda ECC malzemesinin otojen kendiliğinden iyileşme davranışının tekrarlanabilirlik ve yaygınlığı üzerine odaklanılmıştır.
2. Bölüm’de literatürde ECC malzemesinin otojen kendiliğinden iyileşme davranışı üzerine farklı araştırmacılar tarafından gerçekleştirilen çalışmalar detaylandırılmaktadır.
Tezin 3. Bölüm’ünü oluşturan “Deneysel Program” kısmında çalışmalar sırasında kullanılan malzemeler ve ECC malzemesinin küçük ve büyük ölçekli üretimleri anlatılmaktadır. 4. Bölüm’de, tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalarda kullanılan test yöntemleri, deneysel sonuçlar ve bu sonuçların detaylı değerlendirmeleri toplu şekilde verilmektedir. Tez kapsamında gerçekleştirilen tüm çalışmaların sonuçları ise 5. Bölüm’de sunulmaktadır.
2. ECC’NİN OTOJEN KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞI İLE İLGİLİ GEÇMİŞTE YAPILMIŞ ÇALIŞMALAR
Bir önceki bölümde de kısaca değinildiği üzere, beton malzemesinde gözlemlenen otojen kendiliğinden iyileşme davranışı büyük ölçüde ilave hidratasyon reaksiyonları ve kalsiyum karbonat oluşumuyla ilişkilendirilmektedir. Literatürde, bu iki mekanizmanın oluşturduğu nihai kendiliğinden iyileşme ürünlerinin (kalsiyum silikat hidrat [C-S-H] jelleri ve kalsit kristalleri) sırasıyla mekanik özelliklere ve taşınma özelliklerine katkı sağladığı gözlemlenmiştir. Bu bağlamda literatürde, ECC’de gözlemlenen otojen kendiliğinden iyileşme davranışının mekanik ve taşınma özelliklerine etkilerinin incelendiği çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu bölümde, bu çalışmaların detayları paylaşılmaktadır.
2.1. Taşınma Özellikleri
Bu bölümde ECC malzemesinin taşınma özellikleri başlığı altında kendiliğinden iyileşme öncesi ve sonrasında geçirimlilik, difüzyon ve su emme davranışları üzerine odaklanılmıştır. Geçirimlilik konusu su geçirimliliği ve hızlı klorür iyonu geçirimliliği alt başlıklarını kapsamaktadır.
2.1.1. Geçirimlilik Su geçirimliliği
Lepech ve Li (2009) çalışmalarında ECC numunelerinin kendiliğinden iyileşme davranışlarını su geçirimlilik ölçümleri cinsinden incelemişlerdir. Çalışmada, CEM I 42,5R standart Portland çimentosu, düşük kalsiyum oksitli F-sınıfı uçucu kül, ince kuvars kumu, polivinil alkol (PVA) (hacimce %2 oranında) lifleri, su ve süperakışkanlaştırıcı bulunduran, bugüne kadar literatürdeki en fazla veriye sahip olan ve standart ECC (Mix45 – M45) olarak adlandırılan çelik donatısız ECC-M45 karışımı ve üç farklı çelik hasır donatı oranına sahip harç numuneleri kullanılmıştır. Tüm numuneler aynı çevresel koşullara maruz bırakılmış (14 gün laboratuvar ortamında kür edildikten sonra su geçirimlilik testleri için doygun halde olabilmeleri için fazladan 14 gün daha suda kür edilmişlerdir) ve farklı hasar oluşumlarının elde edilebilmesi için eksenel çekme altında önyüklemeye maruz bırakılmışlardır. Karşılaştırma amacıyla bazı numunelere önyükleme uygulanmamıştır. Bu çalışmanın sonucunda, çatlakların genişliklerine bağlı olarak, çatlaklı
donatılı harç numunelerinin su geçirimlilik değerlerinin sağlam numunelerin su geçirimlilik katsayılarının yaklaşık 107 katı katına kadar ulaşabildiği görülmüştür (4.58×10-11 m/s’den 4.46×10-4 m/s’ye). Diğer taraftan, benzer eksenel çekme önyüklemesi (%1,5) sonrasında, ECC numunelerinin su geçirimlilik katsayısı 1.95×10-10 m/s olarak kaydedilmiştir. ECC numunelerinin aşırı düşük su geçirimlilikleri önyükleme sonucunda çok küçük açıklıklara sahip çatlakların (yaklaşık 60 µm) oluşmasıyla ilişkilendirilmiştir.
Buna ek olarak, önyükleme seviyelerinin arttırılması su geçirimlilik sonuçlarında aşırı artışlara sebep olmamıştır öyle ki %2,0 ve %3,0’lük eksenel çekme şekil değiştirme seviyelerine ulaşıldığında su geçirimlilik katsayıları sırasıyla 3.00×10-10 m/s ve 7.74×10-10 m/s olarak kaydedilmiştir. Eksenel çekme altında farklı şekil değiştirme seviyelerine önyüklenen ECC numunelerinin su geçirimlilik katsayılarındaki değişimler Şekil 2.1’de gösterilmektedir.
Şekil 2.1. Farklı eksenel çekme şekil değiştirme seviyelerinde ECC numunelerinin su geçirimlilik katsayılarındaki değişimler (Lepech ve Li, 2009)
Şekil 2.1’den de görüldüğü üzere, su geçirimlilik sonuçları başlangıç önyükleme seviyelerine bakılmaksızın zaman içerisinde sabitleşmeye başlamıştır. Ciddi ölçüde hasara uğratılmış ECC numunelerinin sergilemiş oldukları aşırı düşük su geçirimlilik değerleri sadece dar açıklıklara sahip çatlakların oluşumuyla değil, ayrıca, su geçirimlilik testleri sırasında mikroçatlakların kendiliğinden iyileşmesiyle ilişkilendirilmiştir. ECC numunelerinin 28 günlük başlangıç kürüne maruz bırakılması, su geçirimlilik sonuçlarının zamanla sabitlenmesinin devam eden hidratasyon reaksiyonlarından daha çok
kendiliğinden iyileşmenin bir sonucu olduğunu işaret etmiştir. Kendiliğinden iyileşmenin etkileri ayrıca ECC numuneleri üzerindeki mikroçatlakların kapanması itibariyle doğrulanmış (Şekil 2.1) ve çatlakları kapatan nihai kendiliğinden iyileşme ürünlerinin daha çok kalsiyum karbonat kristallerinden oluştuğu kanıtlanmıştır (Lepech ve Li, 2009).
(a) (b)
Resim 2.1. ECC numunulerinin (a) su geçirimlilik testi öncesi ve (b) sonrasındaki mikroskobik görüntüleri (Lepech ve Li, 2009)
Yang ve diğerleri (2009) tarafından gerçekleştirilen bir diğer çalışmada, çatlak genişlikleri ve su geçirimlilik ölçümleri arasındaki ilişki ıslanma-kuruma döngülerine maruz bırakıldıktan önce ve sonra değerlendirilmiştir. Bu ilişkinin özellikle tekil çatlaklı numuneler üzerinde gözlemlenmesi istendiğinden daha düşük lif hacmine (%0,5) sahip bir karışım hazırlanmıştır. Bunun yapılmasının sebebi, geleneksel lif donatılı betonlarda olduğu gibi gerilme yumuşaması davranışı oluşturmak suretiyle kontrollü tekil bir çatlak elde edilmesini sağlamaktır. Bu çalışmada genişlikleri 0 ile 300 µm arasında değişen çatlakların su geçirimlilik katsayısı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Her ne kadar daha geniş çatlaklarda belirginliğini yitirse de, çalışmanın sonuçları çatlak açıklıklarının 50 µm mertebesinin altında tutulması durumunda, su geçirimlilik katsayılarının ıslanma-kuruma döngüleri sonrasında tamamen iyileşerek sağlam numunelere yaklaştığını göstermiştir.
Ma ve diğerleri (2014) tarafından yakın zamanda gerçekleştirilen bir çalışmada farklı başlangıç kür sürelerine (7, 28 ve 90 gün) maruz bırakılan erken yaşta orta düzeyde dayanıma sahip ECC karışımlarının farklı çevresel koşullar altında su geçirimliliklerindeki değişimler üzerine odaklanılmıştır. Bu çalışmada 28 günlük önyüklenmiş numunelerin su geçirimlilik sonuçlarında ilave kür uygulamasının başlangıcında ani düşüşler olduğu,
sonuçların 3-4 iyileşme döngüsü sonrasında sabitleşmeye başladığı ve 6-9 döngü sonrasında ise tamamen sıfır seviyesine yaklaştığı belirtilmiştir. Ayrıca, geçirimlilikteki en hızlı iyileşme numuneler suda kür edildiğinde gözlemlenmiş ve bu durum kalsiyum karbonat oluşturmak üzere kullanılan havadaki CO2’nin varlığıyla ilişkilendirilmiştir.
Hızlı klorür iyonu geçirimliliği
ASTM C1202 uyarınca gerçekleştirilen hızlı klorür iyonu geçirimlilik (HKİG) testi beton malzemesinin kalite kontrolü için kullanılabilen oldukça basit bir test yöntemidir (Misra ve diğerleri, 1994). Bu test aslında betonun geçirimliliğini değil, malzemenin içinden geçen elektriksel akıma karşı uygulamış olduğu direnci ölçmekte ve boşluk yapısı, boşluk çözeltisinin kimyasal yapısı ve bunlara benzer çeşitli parametrelerden etkilenmektedir.
HKİG testi her ne kadar beton malzemesinin elektriksel iletkenliği hakkında bilgi veriyor olsa da, bu testlerden elde edilen sonuçların klorür iyon geçirimliliği performansıyla ilişkili olduğu bulunmuştur (Shi, 2004). Kullanılabilirliğinin kolay olması sebebiyle, ECC malzemesinde kendiliğinden iyileşme davranışının HKİG testleri aracılığıyla değerlendirildiği bazı çalışmalar gerçekleştirilmiştir (Özbay ve diğerleri, 2013a; Şahmaran ve diğerleri, 2013).
Özbay ve diğerleri (2013a) yüksek hacimde F-sınıfı uçucu kül bulunduran ECC karışımlarının kendiliğinden iyileşme kabiliyetlerini HKİG testleri kullanarak değerlendirmişlerdir. Çalışmada ECC karışımları iki farklı uçucu kül miktarı (toplam bağlayıcı malzeme [Portland çimentosu ve F-sınıfı uçucu kül] miktarının ağırlıkça %55 [ECC-1] ve %70’i [ECC-2]) kullanılarak üretilmiştir. Testler üç farklı çevresel kür koşulu (sürekli hava [SH], sürekli su [SS] ve ıslanma-kuruma döngüsü [I/K]) altında ilave 30 ve 60 günlük süreler boyunca küre maruz bırakılan 28 günlük sağlam numunelerle birlikte, 28 gün sonunda üç farklı yarmada çekme deformasyon seviyesine (0,75, 1,00 ve 1,75 mm) önyüklenmiş numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. 28 günlük sonuçlara oranla, HKİG test sonuçlarındaki yüzdesel değişimler her bir başlangıç önyükleme seviyesi, kür koşulu ve karışım türü göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Şekil 2.2’de gösterilmiştir.
ECC-1 ECC-2
Şekil 2.2. Farklı kür koşulları ve test süreleri sebebiyle ECC karışımlarının klorür iyon geçirimlilik sonuçlarındaki yüzdesel değişimler (Özbay ve diğerleri, 2013a) Şekil 2.2’den de görüldüğü üzere, ECC-2 karışımlarının HKİG test sonuçları tüm çevresel koşullar altında daha belirgin düşüşler sergilemiştir. Ayrıca, I/K ve SS kür koşullarının farklı seviyelerde başlangıç önyüklemelerinin uygulanmasının ardından ciddi ölçüde artan HKİG test sonuçlarını azaltmada çok daha etkili olduğu ve çatlaklar içerisinde oluşan nihai kendiliğinden iyileşme ürünlerinin çoğunlukla ilave C-S-H jelleri ve kalsiyum karbonat kristalleri olduğu belirtilmiştir. Bu çalışmada ECC üretiminde daha yüksek hacimlerde
