Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun

PerformansıYUWARAJ M. GHUGAL* AND SANTOSH B. DESHMUKH

Çimsa Formülhane

Haziran, 2017

Beton tabiatı gereği düşük çekme dayanımı, kırılganlık, kararsız çatlak yayılımı, düşük kırılma dayanımı

ve yetersiz süneklik davranışı gösterir.

Betonun kendine özgü özelliklerinde iyileşme olmaksızın, betonarme yapılarda geleneksel takviye veya

ön gerilmelerin uygulanması, bu eksiklikleri genellikle ortadan kaldırır.

Alternatif olarak, güçlü sert liflerin betona dahil edilmesinin, betonun mukavemetini ve sünekliğini

arttırdığı bulunmuştur. Lifler, erken yaşlarda plastik büzülme çatlaklarını azaltmak için makul ölçüde

etkilidir. Liflerin eklenmesi, malzemenin çatlama sonrası sünekliğini arttırır.

Betonun inşaat endüstrisindeki önemi ve zayıflıkları göz önüne alındığında, beton özelliklerinde istenen

değişikliklerle birlikte, alkali dayanıklı cam elyaflar kullanılarak uygun ve dayanıklı bir beton elde

edilebilir. Bu elyafların yüksek mukavemeti ve sertliği, çimento esaslı kompozitlerin güçlendirilmesi için

yüksek bir potansiyel anlamına gelmektedir.

Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun

Performansı

Mevcut çalışmada, alkaliye dayanıklı cam elyafların ıslak betonun özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmış

ve elde edilen sonuçlar deneysel olarak sunulmuştur.

IS12269 [6] 'ya uygun 53 dereceden normal Portland çimentosu ve IS383[7] 'e uygun ince ve kaba

agregalar kullanılmıştır. İnce ve kaba agregaların incelik modülleri sırasıyla 3,1 ve 7,52 dir. Tablo 1'de

gösterildiği gibi fiziksel ve mekanik malzeme özelliklerine sahip alkali dayanıklı cam elyaf kullanılmıştır.

Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun

Performansı

Deney boyunca 1: 1.59: 3.70 oranlarında çimento: ince agrega: kaba agrega ve 0,51 su/çimento

kullanılmıştır. Lifler, ıslak beton halinde eklenmiş ve tekrar iyice karıştırılmıştır.

Basınç ve bağ dayanımı için 150 mm ölçülerindeki küpler,

Yarmada çekme dayanımı için 150 mm çapında 300 mm uzunluğunda silindirler,

Eğilme dayanımı için 100 x 100 x 500 mm ebatlarında kirişler,% 0 – 4,50 alkali dayanıklı cam elyaf ve

ağırlıkça %0,5 çimento aralığında birleştirerek dökülmüştür.

Her bir test için, üç örnek elyaflı ve elyafsız olarak dökülmüştür. Tüm örneklerin sıkıştırılması, elyafların

toplanmasını önlemek için bir masa vibratörü kullanılmıştır. Tüm örnekler oda sıcaklığında 28 gün suyla

kürlenmiş ve 1000 kN Universal Test Makinesi (UTM) üzerinde yüzey kuru halde test edilmiştir.

Deneysel Çalışma

Dayanım performansının değerlendirilmesi için toplamda 150 örnek dökülmüş ve test edilmiştir. Bu

çalışmada sunulan sonuçların her bir değeri üç test örneğinin ortalamasıdır.

Taze Betonun Özellikleri : Alkaliye dirençli GFRC‘ nin işlenebilirliği, çökme konisi testi ile belirlenir ve

ıslak silindirin ağırlığı ve hacmi ölçülerek, standart silindirler yardımıyla yaş yoğunluğu elde edilir. Bu

özelliklerin sonuçları Tablo 2'de gösterilmiştir.

Sertleşmiş Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonda Uygulanan Testler: Sertleşmiş beton üzerindeki tüm

testlerin gerçekleştirilmesi için 1000 kN kapasiteli bir UTM kullanılmıştır. Testler, basınç, eğilme, bağ ve

yarmada çekme dayanımları için gerçekleştirilmiştir. Her bir test için ilgili standartlara göre standart bir

test prosedürü izlenmiş ve sertleştirilmiş GFRC‘ nin mukavemet performansı incelenmiştir.

Deneysel Çalışma

Deneysel Çalışma

Çeşitli dayanımların hesaplanması: Normal ve GFRC örneklerinin tahribatlı muayenesinden sonra çeşitli

dayanımların hesaplanması gerçekleştirilmiştir. Her bir test üç kopya halinde gerçekleştirilmiş ve

sonuçların ortalaması alınmış ve kaydedilmiştir. Her bir kuvvet değeri üç test numunesinin ortalamasıdır.

Basınç Dayanımı: Basınç dayanımı, UTM kullanılarak 150 mm ölçülerindeki küplere basınç uygulanarak

elde edilmiştir.

Basınç dayanımı: (1) ile hesaplanır.

o Basınç dayanımı sonuçları ve GFRC‘ nin normal betona göre basınç dayanımındaki artış, (Vf =% 0,0),

Tablo 3‘ te gösterilmiştir.

Deneysel Çalışma

Deneysel Çalışma

Eğilme Dayanımı: Bu dayanımın tespiti için, 100 x 100 x 500 mm ebadındaki her bir numune 400 mm‘

lik bir açıklık üzerinde desteklenmiş ve açıklığın orta üçte birinde iki noktalı bir yük uygulanmıştır.

Merkezi çökmeler ilk çatlağa kadar kaydedilmiştir. Bütün kirişler göçme durumuna kadar yüklenmiştir.

Eğilme mukavemeti: (2) ile hesaplanmıştır.

GFRC 'nin eğilme dayanımının, elyafların elastisiste modülü, elyafların hacimsel oranı ve basınç

dayanımı açısından hesabı:

(3)

*fck = normal betonun 28 günlük basınç dayanımı

Deneysel Çalışma

Eğilmede Kesme Dayanımı: Malzemelerin mukavemeti teorisinden yararlanılarak eğilme elemanlarının

kesme dayanımı aşağıdaki formülle hesaplanır:

(4)

Fs = P/2 yükü, kiriş kesitindeki maksimum kesmedir. Tablo 4’ de bu formül kullanılarak çeşitli elyaf

hacimsel oranları için sonuçlar hesaplanmıştır. Maksimum kayma mukavemeti denklemi, elyafın

hacimsel oranı, matrisin elastik modülü (beton), elyafın elastik modülü ve dört noktalı eğme testinden

elde edilen eğilme mukavemetine dayanarak önerilmiştir. Önerilen denklem aşağıdaki gibidir:

(5)

Deneysel Çalışma

Dayanımdaki oransal artımları ile eğilme dayanımı ve yük- çökme sonuçları Tablo 4’de verilmiştir.

Deneysel Çalışma

Yarmada Çekme Dayanımı: Betonun gerilme mukavemetini belirlemek için silindir yarma testi kullanıldı.

Bu testte, düşey simetrik bir düzlem boyunca, numunenin bölünmesine neden olan, çekme düzlemini

normal düzeye ayarlayan basınç hattı yükleri uygulandı. Elastisite teorisini kullanarak türetilen formül,

ayırma sırasında gerilme mukavemetini hesaplamak için kullanılmıştır. Dolaylı yarma kuvveti aşağıdaki

ifadeden hesaplanmıştır:

(6)

Deneysel Çalışma

GFRC’ nin yarmada çekme dayanımı Em, Ef, Vf ve beton basınç dayanım fcu ‘ya dayanarak aşağıdaki

formüllerle açıklanabilir:

(7)

(8)

Yarmada çekme dayanımında elde edilen sonuçlar tablo 5’te gösterilmiştir.

Deneysel Çalışma

Deneysel Çalışma

GFRC’ nin basınç dayanımına bağlı olarak bağ dayanımı aşağıdaki denklemlerle hesaplanır:

(10)

(11)

Deneysel Çalışma

Elastik Sabitler: Yapıların analizinde E, μ ve G gibi elastik sabitler her zaman gereklidir. Elyafla

güçlendirilmiş betonun elastisite modülü, Hannant ve Tan et al. tarafından önerilen karışım kuralına göre

hesap edilebilir.

(12)

GFRC’ nin elastisite modülü (Efc) IS456 [9]’ a göre basınç dayanımı (fcu) göz önüne alınarak aşağıdaki

gibi hesaplanır:

(13)

Cam elyafın hacimsel oranı (Vf) ve küp basınç dayanımına (fcu) bağlı olarak GFRC’ nin elastisite

modülü aşağıdaki gibi hesaplanır:

(14)

Deneysel Çalışma

Rastgele yönlendirilmiş elyaf takviyeli betonun elastisite modülü (ER) ve kesme modülü (GR) aşağıdaki

denklemlerle hesaplanabilir:

(19)

(20)

Deneysel Çalışma

Neville’ ye göre, poison oranı (µ) aşağıdaki gibi hesaplanır.

(21)

Ghugal tarafından verilen detaylı formül aşağıdaki gibidir:

(22)

Denklem 22’ ye göre elde edilen değerler tablo 6’da özetlenmiştir. Ama Denklem 22’ de bulunan

değerlerle denklem 21’den elde edilen değerler karılaştırıldığında olduğundan fazla değerler elde

edilmiştir. Doğru sonuca ulaşmak için yeni bir poison oranı denklemi oluşturulmuştur:

(23)

Deneysel Çalışma

Tablo 6. Elastik sabitler: elastisite modülü, kesme modülü (Gpa), ve poison oranı

Elastisite Modülü (Gpa) Kesme Modülü Denklem 20’ ye göre

Poison oranı

Elyaf İçeriği (Vt) %

Denklem 12’ye göre

Denklem 13’e göre

Denklem 14’e göre

Denklem 19’a göre

Denklem 21’e göre

Denklem 22’e göre

Denklem 23’e göre

0,0 28,05 28,05 28,05 28,05 10,52 0,11 0,33 0,11 0,5 28,06 28,28 28,90 28,22 10,58 0,14 0,33 0,12 1,0 28,08 29,16 28,38 28,39 10,65 0,13 0,33 0,12 1,5 28,09 29,71 28,52 28,57 10,70 0,13 0,33 0,13 2,0 28,11 30,20 28,59 28,74 10,77 0,13 0,33 0,13 2,5 28,11 30,20 28,19 28,91 10,84 0,14 0,33 0,14 3,0 28,12 30,57 28,13 29,09 10,90 0,14 0,33 0,14 3,5 28,13 30,89 28,02 29,25 10,96 0,14 0,33 0,146 4,0 28,14 31,42 28,08 29,43 11,03 0,13 0,33 0,15 4,5 28,15 31,79 28,01 29,61 11,09 0,13 0,33 0,157

Deneysel Çalışma

İşlenebilirlik ve Islak Birim Hacim Ağırlığı: İşlenebilirlik çökme (slump) ile ölçülür. Tablo 2’ye göre

işlenebilirlik GFRC’ de elyaf içeriğinin artmasıyla normal betona göre daha düşüktür. Çökmedeki

maksimum düşüş %4,5 elyaf içeriğiyle %44,44 olduğu gözlemlenmiştir. GFRC’ nin ıslak birim hacim

ağırlığı elyaf içeriğinin artması ile artar, bununla birlikte artış marjinaldir.

Basınç Dayanımı: Basınç dayanımı sonuçları tablo 3’te verilmiştir. Elyaf içeriğinin artmasıyla basınç

dayanımı sürekli bir şekilde artar. Basınç dayanımındaki maksimum artış; %4,5 elyaf oranı ile %28,46

olarak elde edilmiştir. Dayanımdaki artış elyaf içeriği ile doğru orantılıdır.

Eğilme Sehimi: Sehim sonuçları tablo 4’ de verilmiştir. Eğilme sehimi, normal betona göre lif içeriğinin

artmasıyla arttığını gözlemlenmiştir. Bu GFRC’ nin sünekliğinin eğilme dayanımın artmasıyla arttığını

gösterir.

Sonuçlar

Eğilme Dayanımı: Denklem 2’ ye göre elde edilen GFRC ve normal betonun eğilme dayanımları tablo

4’de gösterilmiştir. Eğilme dayanımı %4 elyaf içeriğine kadar yükselmektedir. Normal betona göre

dayanımdaki maksimum artış %4 elyaf içeriği ile %50,08’ dir. Eğilme dayanımı elyaf içeriğinin %4,5

olması durumunda %42’ ye düşmektedir.

Eğilme Kesmesi Dayanımı: Eğilme kesmesi dayanımı sonuçları, malzeme teorisinin denklemi (4)

kullanılarak hesaplanmıştır ve Tablo 4'te sunulmuştur. Denklem (5) 'den tahmin edilen sonuçlar ve

malzeme teorisinin denklemi (4)’ den elde edilen sonuçlar birbiriyle mükemmel bir uyum içindedir.

Kesmesi dayanımı , Denk. (5) göre eğilme dayanımı ile doğrusal olarak değiştiği bulunmuştur.

Sonuçlar

Yarmada Çekme Dayanımı: Betonun silindir yarmada çekme dayanımı elyaf içeriğinin artmasıyla

olukça artar. Yarmada çekme dayanımı normal betona göre %4,5 elyaf içeriği ile maksimum %48,68’ e

kadar artmaktadır. Yarmada çekme dayanımı GFRC‘ nin basınç dayanımının doğal logaritması ile

değiştiği bulunmuştur.

Bağ Dayanımı: Denklem (9) kullanılarak GFRC‘ nin bağ dayanım sonuçları Tablo 5'te gösterilmektedir.

Betonda cam elyafın eklenmesiyle bağ mukavemeti artmış ve normal betona göre % 3.0 oranında elyaf

içeriğine kadar maksimum% 35'lik bir artış gözlenmiştir. Bununla birlikte, daha yüksek lif muhtevası için

hızlı bir şekilde azaldığı ve lif içeriğinin% 4.5‘ inde % 9.60'a kadar azaldığı bulunmuştur. Lif

muhtevasındaki artış ile bağ mukavemetindeki bu azalma, liflerin toplanmasına bağlı olabilmektedir..

Sonuçlar

Bağ Dayanımı: Tablo 5‘ den, bağ mukavemetinin, liflerin hacimsel oranı (Vf) ile doğrusal olarak% 3'e

kadar arttığını ve daha sonra Vf ile% 4.5'e kadar doğrusal bir şekilde azaldığını gözlemlenmiştir.

Bağlanma mukavemetindeki bu değişim eğilimi, GFRC‘ nin basınç dayanımı (fcu) açısından

matematiksel olarak modellenmiş ve Denklemler (10) ve (11) tarafından verilmiştir. Bu denklemler ve

Denklem (9) kullanılarak elde edilen sonuçlar birbirleri ile yakın bir ilişki içerisindedir. Bu dayanım,

basınç dayanımının doğal logaritmasının bir fonksiyonu olarak bulunmuştur.

Elastik Sabitler: Elastik sabitlerin sonuçları, elastiklik modülü, kayma modülü ve poison oranı tablo 6'da

verilmiştir. GFRC‘ nin elastisite modülü, karışımların kanunu, IS yönetmelik formülü, önerilen formül ve

Halpin-Tsai denklemi kullanılarak belirlenir.

Sonuçlar

Elastik Sabitler: IS yönetmelik formülü, karışımlar kanunu, önerilen formül ve Halpin-Tsai denklemleri

ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığında, sonuçlar değerinden daha fazla bulunmaktadır. Elastisite

modülü hesabı için; karışımlar kanunu, önerilen formül ve Halpin-Tsai denklemlerinin sonuçları birbiriyle

çok yakın bir ilişki içerisindedir. Tablo 6'an görüldüğü gibi, Denklem (22), poison oranının sonuçlarını

Neville Denklemi (21) ve yeni önerilen denklem (23) ile elde edilen sonuçlara kıyasla değerinden fazla

bulunmaktadır. (21) ve (23) denklemlerinin sonuçları birbiriyle yakındır. GFRC’ nin poison oranı, 0,11 ile

0,16 arasında değiştiği ve genellikle 0,11 ile 0,21 arasındaki sınırlar arasında değiştiği bulunmuştur.

Sonuçlar

Optimum Elyaf İçeriği: GFRC’ nin maksimum dayanıma ulaştığı elyaf içeriğidir. GFRC’ nin değişik

dayanımlar için optimum lif içeriği tablo 7’ de gösterilmiştir. Tablo 7’den elde edilen sonuçlara göre

optimum elyaf, dayanıma bağlıdır. Bu, maksimum mukavemeti elde etmek için, basınç dayanımı ve

yarmada çekme dayanımında aynıdır fakat, eğilme dayanımı ve bağ dayanımında maksimum

mukavemeti elde etmek için farklıdır.

Tablo 7. Optimum elyaf içeriği ve değişik dayanımlarda maksimum artış oranları

Dayanım

Elyaf içeriği (Vt) %

Dayanım maksimum değeri (MPa)

Dayanımdaki maksimum artış (%)

Basınç dayanımı 4,5 40,44 28,46 Eğilme dayanımı 4,0 5,24 50,08 Yarmada çekme dayanımı 4,5 3,73 48,68 Bağ dayanımı 3,0 8,45 35,20

Sonuçlar

1. Islak cam elyaf takviyeli betonun (GFRC) işlenebilirliği, elyaf içeriğindeki artışla azalır. Elyaf içeriğinin

artmasıyla betonun ıslak yoğunluğu artar; ancak artış marjinaldir.

2. 28 günde, normal betona göre; küp basınç dayanımı, eğilme dayanımı, yarmada çekme dayanımı ve

bağ dayanımı yüzdesindeki artış, % 4.5, %4.0,% 4.5 ve %3 elyaf hacmi için sırasıyla 28,46, 50,08,

48,68 ve 35,20’ dir.

3. Yük - sehim davranışı, cam elyafın, normal betona kıyasla, beton eğilme elemanı içerisine dahil

edilmesi yük taşıma kapasitesinin arttırdığını göstermektedir. Bu, cam elyafın eklenmesi ile betonun

eğilme dayanımı ve sünekliliğindeki artışı göstermektedir.

Sonuçlar

4. GFRC’ nin eğilme dayanımı, silindir yarmada çekme dayanımı ve bağ dayanımını bulmak için küp

basınç dayanımına dayanarak deneysel ifadeler oluşturulmuş ve eğilme dayanımı üzerinden de

eğilmede kesme dayanımı için ampirik bir ifade önerilmiştir. Bu ifadelerden tahmin edilen sonuçlar, bu

araştırmadaki teorik ve deneysel sonuçlarla mükemmel bir uyum içindedir.

5. GFRC‘ nin elastik sabitleri çeşitli yöntemlerle elde edilir. Elyaf hacimsel oranı ve FRC‘ nin küp basınç

dayanımı üzerinden elastisite modülü için ampirik bir ifade geliştirilmiş ve elyaf hacimsel oranı ve lifin

en-boy oranına dayanarak poison oranı ifadesi oluşturulmuştur. Elastisite modülünün tahmin edilen

değerleri, karışım kanunları ve Halpin-Tsai denklemleri ile mükemmel bir uyum içindedir. Poison

oranının tahmini değerleri, Neville’ in yöntemiyle mükemmel bir uyum içindedir.

Sonuçlar

6. Genel olarak, cam elyafların düz betona dahil edilmesiyle çeşitli mukavemetlerde önemli iyileşmeler

gözlenmiştir. Bununla birlikte, beton mukavemetindeki maksimum kazancın (GFRC) lif içeriğinin

miktarına bağlı olduğu bulunmuştur. Mukavemette maksimum kazanç sağlamak için optimum lif içeriği,

dayanım türüne göre değişir.

Sonuçlar

Çimsa Formülhane

TEŞEKKÜRLER…

Her türlü soru ve bilgi için..

Çimsa Çimento Araştırma ve Uygulama Merkezi

Toroslar Mah. Tekke Cad.

33013 Yenitaşkent/MERSİN

T: 00.90.324 241 23 37 / 241 23 44

F: 00.90.324 454 00 52