Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun Performansı YUWARAJ M. GHUGAL* AND SANTOSH B. DESHMUKH

Transkript

1 Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun Performansı YUWARAJ M. GHUGAL* AND SANTOSH B. DESHMUKH Çimsa Formülhane Haziran, 2017

2 Alkaliye Dayanıklı Cam Elyafla Güçlendirilmiş Betonun Performansı 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.

3 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.

4 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.

5 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.

6

7 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.

8

9 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

10 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)

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

12 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)

13 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.

14

15 GFRC nin basınç dayanımına bağlı olarak bağ dayanımı aşağıdaki denklemlerle hesaplanır: (10) (11)

16 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)

17 Rastgele yönlendirilmiş elyaf takviyeli betonun elastisite modülü (ER) ve kesme modülü (GR) aşağıdaki denklemlerle hesaplanabilir: (19) (20)

18 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)

19 Elyaf İçeriği (Vt) % Tablo 6. Elastik sabitler: elastisite modülü, kesme modülü (Gpa), ve poison oranı Elastisite Modülü (Gpa) Denklem 12 ye göre Denklem 13 e göre Denklem 14 e göre Denklem 19 a göre Kesme Modülü Denklem 20 ye göre Poison oranı 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

20 Sonuçlar 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.

21 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.

22 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..

23 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.

24 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.

25 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) 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 Dayanımdaki maksimum artış (%)

26 Sonuçlar 1. Islak cam elyaf takviyeli betonun (GFRC) işlenebilirliği, elyaf içeriğindeki artışla azalır. Elyaf içeriğinin artmasıyla betonun ıslak yoğunluğu artar; ancak artış marjinaldir 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.

27 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.

28 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.

29 Çimsa Formülhane TEŞEKKÜRLER Her türlü soru ve bilgi için.. Çimsa Çimento Araştırma ve Uygulama Merkezi Toroslar Mah. Tekke Cad Yenitaşkent/MERSİN T: / F: