II. ULUSAL EGE KOMPOZİT MALZEMELER SEMPOZYUMU

Transkript

1 SIFCON MATRİSİ-ÇELİK LİF ADERANSINA METAKAOLİNİN VE LİF GEOMETRİSİNİN ETKİSİ Çağlar Yalçınkaya a, Ahsanollah Beglarigale b, Halit Yazıcı c a Dokuz Eylül Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, caglar.yalcinkaya@deu.edu.tr b Dokuz Eylül Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, ahsan.beglari@gmail.com c Dokuz Eylül Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, halit.yazici@deu.edu.tr ÖZET SIFCON (Slurry Infiltrated Fiber Concrete) hacimce %5-30 oranında lif içeren çok yüksek sünekliğe, enerji yutma kapasitesine, eğilme ve çekme dayanımına sahip bir kompozittir. Yüksek performansı sayesinde endüstriyel zeminlerde, güçlendirme işlerinde, patlamaya ve rokete dirençli askeri yapılarda kullanılabilmektedir. Çimento esaslı lifli kompozitlerde lif-matris aderansı kompozitin performansı etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Lifmatris aderansı, lif türü ve geometrisi, matris dayanımı, kür köşulları ve lif-matris arayüzey özellikleri gibi bir çok faktörden etkilenmektedir. Lif-matris arayüzeyini iyileştirmek amacıyla metakaolin gibi mineral katkılar kullanılmaktadır. Bu çalışmada, metakaolin ikame oranının, çelik lifin kancalı ve kancasız durumunun lif-matris aderansı özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Lif-matris aderansı özellikleri, tek lif çekip-çıkarma deneyi ile belirlenmiştir. Metakaolin ikamesi ile basınç dayanımı ve aderans özelliklerinde iyileşme sağlanmıştır. Ayrıca kanca uçlu lifin daha üstün bir performans sergilediği belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: SIFCON; Çimento Esaslı Kompozit; Çelik Lif-Matris Aderansı ABSTRACT SIFCON (Slurry Infiltrated Fiber Concrete) can be described as a special type of cement based composite produced with fiber volume fraction values between 5 to 30%. As a result of superior mechanical properties such as compressive, tensile, shear and flexural strengths with extraordinary toughness values, SIFCON can be used in in industrial floors, repair and reinforcement works and military applications such as anti-missile hangers. Forasmuch as SIFCON resists tensile forces as a composite material by its fiber and matrix phases, the fiber-matrix bond affects force transmission between them. Mechanical properties of SFRC are dramatically influenced by steel fiber matrix bond characteristics. Many parameters such as fiber type and geometry, matrix strength, curing conditions and properties of fiber-matrix interface affect the fiber-matrix bond characteristics. The density of this zone can be increased with supplementary cementitious materials such as metakaolin. In this study the effect of metakaolin and end type of steel fiber on bond characteristics has been investigated. The fiber-matrix bond characteristics were determined by applying single-fiber pull-out test. Utilization of metakaolin has improved the compressive strength and fiber-matrix bond characteristics. In addition, hooked-end fiber has a better performance compared to the smooth fiber. Keywords: SIFCON; Cement Based Composite; Steel Fiber-Matrix Bond characteristics 298

2 Giriş Çimento bulamacı emdirilmiş lifli beton (Slurry Infiltrated Fiber Concrete SIFCON), Özel üretim tekniği gerektiren yüksek performanslı çimento esaslı bir kompozittir. Bilindiği gibi, lifli betonda karışıma katılabilecek lif hacmi oldukça kısıtlı (1-3%) kalmaktadır. Bu kompozitler çok yüksek oranda çelik lif içeriğiyle üretilebilmektedir (%5 ila %30). Yüksek lif dozajının sağladığı yüksek çekme dayanımı ve enerji yutma kapasitesi ile güçlendirme işlerinde, endüstriyel zeminlerde, patlamaya ve rokete dirençli askeri yapılarda kullanılabilmektedir. SIFCON üretiminde çelik lifler kalıba yerleştirilmekte, çimento esaslı akıcı hamur kalıba dökülmekte veya enjekte edilmektedir. Bu sebeple kullanılacak hamurun reolojik özellikleri tam doluluk sağlamak açısından önem kazanmaktadır. Ayrıca hamurun çimento dozajını azaltabilmek için puzolanik katkılar ve mikro agregalar kullanılabilmektedir. Böylelikle çimento dozajı, akışkanlaştırıcı katkı ihtiyacı, büzülme mertebeleri azaltılabilmektedir. SIFCON un lif dozajı, türü ve hamurun karışım oranları, kompozitin mekanik özelliklerini amaca uygun şekilde tasarlamada ana faktörlerdir [1 ve 2]. Çelik lifli içeren çimento esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerini etkileyen en önemli faktörlerden biri lif-matris aderansıdır. Bu sebepten dolayı aderans özellikleri, lif ve matris arasında yük transferini etkiliyebilmektedir. Lif-matris aderansı özelliklerini etkileyen en önemli faktörlerden biri lif-matris arayüzeyi (geçiş bölgesi) özellikleridir (Resim 1). Bu bölgenin poroz yapıya sahip olduğu ve çok miktarda kalsiyum hidroksit (CH) içerdiği bilinmektedir [3]. Lif-matris arayüzeyi özellikleri, agrega-matris arayüzey geçiş bölgesine benzemektedir [4]. Bu bölgenin yoğunluğu mineral katkılarla artırabilmektedir [5-10]. Lif-matris aderans özellikleri birçok araştırmacı tarafından araştırılmıştır. Genel olarak lifmatris aderans özellikleri matris ve kullanılan lifin özelliklerine bağlı olduğu birçok araştırmacı tarafından tespit edilmiştir. Matrisin mekanik özellikleri, kür koşulları, mineral katkı kullanımı ve durabilite sorunlarına maruz kalıp kalmadığı gibi parametreler aderansı etkileyebilmektedir [10-13]. Ayrıca çelik lif morfolojisinin (kanaca ucu, narinlik, çap vb.) ve gömme boyunun lif-matris aderansına etkisi birçok çalışmaya konu olmuştur [10-12, 14-16]. Lif-matris arayüzeyi özelliklerini iyileştirmek amacıyla silis dumanı, yüksek fırın cürufu ve metakaolin gibi mineral katkılar kullanılmaktadır. Metakaolin, kaolinitin ºC sıcaklık aralığında kalsinasyonu ile elde edilen ve son yıllarda çimento esaslı yüksek performanslı kompozitlerde kullanılmaya başlanan bir mineral katkıdır. Ortam sıcaklığında metakaolin ve Ca(OH) 2 reaksiyona girerek CSH jeli meydana getirmektedir [17-19]. Metakaolin, genel olarak 99,9% oranında 16μm daha küçük ve ortalama 3μm çapa sahiptir [17-20]. Metakaolinin betonda kullanımıyla eğilme ve basınç dayanımında artış, geçirimlilikte düşüş ve kimyasal saldırıya karşı direnç gibi birçok avantaj sağlanmaktadır [17]. 299

3 Çelik lif Matris Çelik lif Matris 2. Materyal ve Metod Resim 1 Çimento esaslı matris çelik lif arayüzeyi Deneysel çalışmada kullanılan CEMI 42,5/R tipi çimentonun fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikleri ile metakaolin (MK) üreticileri tarafından verilen kimyasal analizleri Tablo 1 de verilmiştir. Agrega olarak 0-0,125 mm arası ve 0-1 mm arası iki farklı tane büyüklüğüne sahip kireçtaşı kullanılmıştır. Akışkanlaştırıcı olarak polikarboksilat esaslı yeni nesil süperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Lif-matris aderansına lif geometrisinin etkisini incelemek için aynı narinliğe (L/d) ve çapa sahip ucu kancalı ve kancasız iki tür lif kullanılmıştır. Üretici tarafından kancalı olarak üretilen çelik lifin ucu kesilerek kancasız lifler elde edilmiştir (Tablo 2). Tablo 1 Çimento, silis dumanı ve metakaolin özellikleri Kimyasal Bileşim (%) Çimento Metakaolin Fiziksel Özellikler CaO 64,25 0,1 Çimento SiO 2 18, Özgül yüzey (cm 2 /g) 3860 Al 2 O 3 4, Özgül ağırlık 3,15 Fe 2 O 3 3,24 <1,0-1,4 SD MgO 0,93 <0,1 Özgül ağrlık 2,589 Na 2 O 0,35 <0,05 puzolanik aktivite indeksi 141,4 K 2 O 0,80 <0,4 SO 3 3,03 <0,1 Kızdırma Kaybı 3,17 - Serbest CaO 1,9 - Tablo 2 Çelik liflerin bazı özellikleri Geometri kancalı kancasız Uzunluk, mm (l) Çap, mm (d) Narinlik (l/d) Çekme dayanımı (N/mm 2 ) 50 1,

4 Bu çalışmada metakaolin kullanmadan hazırlanan harç M0, çimentoya % 15 ve %30 oranlarında metakaolin ikame edilerek hazırlanan karışımlar sırasıyla M15 ve M30 olarak adlandırılmıştır. Harç karışımları Hobart mikser kullanılarak hazırlanmıştır. Öncelikle 1 dakika süreyle kuru karıştırma yapılmış, su ve süperakışkanlaştırıcı ilavesinden sonra 5-7 dakika süreyle karıştırma işlemine devam edilmiştir. Harcın mini çökme-yayılma deneyinden elde edilen kendiliğinden yayılma çapı ve V-kutusu akış süresi Tablo 2 de verilmektedir. Metakaolinin yüksek inceliği sebebiyle aynı yayılma çapına erişmek için gerekli akışkanlaştırıcı katkı ihtiyacı artmış, viskoziteleri yükselmiştir. Metakaolin ikame oranı arttıkça bu etki daha da belirgin hale gelmiştir. Taze hal deneylerinden hemen sonra karışımlar vibrasyon uygulanmaksızın 50x50x50 mm boyutunda küp kalıplara yerleştirilmiştir. Her küp için bir adet çelik lif, özel aparat kullanılarak merkezden matris içine lif boyunun yarısı kadar (25 mm) gömülmüştür (Resim 2). Numuneler dökümden sonra 6 saat boyunca nem odasında bekletilmiştir. Isınma süreci olan 6 saat sonunda buhar sıcaklığı 100 C ye ulaşmış ve 12 saat bu sıcaklıkta kür uygulanmıştır. Süre sonunda kabin kapakları açılmış ve örnekler soğumaya bırakılmıştır. Tablo 3 Karışım oranları ve taze hal özellikleri Bileşen M0 M15 M30 Çimento (kg/m 3 ) Metakolin (kg/m 3 ) Su (kg/m 3 ) mm Kireçtaşı (kg/m 3 ) m Kireçtaşı (kg/m 3 ) Süperakışkanlaştırıcı (l/m 3 ) Su/çimento Su/bağlayıcı Çökme-yayılma (mm) V-kutusu süresi (s) Resim 2 Numunelerin hazırlanması 301

5 Örnekler buhar kürü sonrası soğuduktan sonra çekip çıkarma deneyine tabi tutulmuştur. Deney düzeneği ve yapılışı şematik olara Resim 3 de gösterilmiştir. Çekip-çıkarma deneyi aleti deformasyon kontrollüdür. Numune alt başlık ile sabitlendikten sonra lifin matris dışında kalan kısmı üst başlık tarafından tutulmuştur. Matris sabit kalacak şekilde, lifi tutan üst başlığın 1 mm/dakika hızla yukarı doğru hareket etmesi sağlanmıştır. Böylece lif matris içinden sıyrılırken bilgisayar bağlı 6 kn kapasiteli yük hücresi vasıtasıyla yük değerleri bilgisayar tarafından kaydedilmiştir. Yük ve lifin matris içinden sıyrılma değerleri eş zamanlı olarak kaydedilmiştir. Böylece yük-sıyrılma eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen eğrilerden maksimum yük, maksimum yükte sıyrılma, sıyrılma tokluğu gibi önemli parametreler belirlenmiştir. Her seri için altı numune hazırlanmış ve ortalama eğriler değerlendirilmiştir. Resim 3 Çekip çıkarma deneyi 3. Bulgular ve Tartışma Resim 4 de SIFCON kompozitinin bağlayıcı harcının basınç dayanımları verilmektedir. Grafikte de görülüğü gibi çimento yerine ağırlıkça %15 MK ikamesi basınç dayanımını belirgin bir şekilde arttırmıştır. Bu oranın % 30 a çıkartılması, basınç dayanımını daha fazla arttırmamıştır. Başka bir deyişle, mevcut karışımda çimentoya metakaolin ikamesinin basınç dayanımı açısından optimum oranı %15 tir. Benzer sonuç diğer bir çalışmada da rapor edilmiştir [21,22]. MK kullanımı ile basınç dayanımında artış yakalanabilmiştir. MK nin dolgu etkisi, CH ile MK nin puzolanik reaksiyona girmesi ve çimento dozajındaki azalma ikame sonucu basınç dayanımını etkileyen üç esas faktördür [23]. MK nın mikro malzeme olarak dolgu etkisi ve puzolanik reaksiyonu dayanımda artış sağlarken, çimento dozajındaki azalma ise dayanımda olumsuz etki yaratabilmektedir [21-24]. Literatürde % 10 ila %20 ikame oranı MK için optimum oran olarak önerilmektedir [21-27]. 302

6 Resim 4 Basınç dayanımları Resim 5 de SIFCON matrisine gömülü kancalı ve kancasız çelik liflerin yük-sıyrılma eğrileri yer almaktadır. Kancalı çelik lifin çekip çıkarma deneyinden elde edilen yüksıyrılma eğrisi üç ana kısımdan oluşmaktadır. İlk önce kısmen lineer bir artış ile yük maksimum seviyeye ulaşmaktadır. Bu bölgede sıyrılma gerçekleşmemektedir. Ayrıca bu bölgede lifte uzama gerçekleşebilmektedir. Maksimum yük aşılınca yük değerlerinde düşüş gözlenmektedir. Bu bölgede aderans bağları azalmakta ve çelik lif matristen sıyrılmaktadır. Tepe yükünden düşüşe geçildiği bölgede, 3-4 mm sıyrılma aralığında, ikinci tepe noktası gözlenebilmektedir. İkinci tepe noktasının nedeni, matris tarafından zorlanan kanca ucunun düzelmesidir [10,13 ve 16]. Üçüncü bölge ise yükün bir miktar daha azaldığı ve ardından eğrinin yataylaştığı bölgedir. Bu bölgede aderans bağlarının tamamen bozulduğu ifade edilebilir. Sıyrılmanın bu aşamasında yük, lif ile matris arasında meydana gelen ve lif dışarıya çıkana kadar devam eden sürtünme kuvveti ile oluşmaktadır. Kancasız lifin yüksıyrılma eğrisi iki esas kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda lineer bir artış ile yük maksimum seviyeye ulaşmaktadır. Genellikle ikinci bölgede yük aniden düşmekte ve eğri yataya yakın seyretmektedir. Kancasız lifin sıyrılma davranışını belirleyen baskın faktör sürtünme kuvvetidir. Resim 5 Çekip çıkarma yükü-sıyrılma eğrileri 303

7 Resim 6 de SIFCON kompozitinin bağlayıcı harcına gömülü kancalı ve kancasız çelik liflerin ortalama maksimum aderans yükü yer almaktadır. MK ikamesi ile kancalı lifin maksimum yük değerinde artış görülmektedir. Basınç dayanımına paralel olarak %15 ikame oranı optimum oran olarak ifade edilebilir. M15 karışımının tepe yükünü M0 karışımına kıyasla %12, M30 karışımının ise %10 arttırdığı Resim 7 de görülmektedir. Bu artışlar kancasız lif için geçerli değildir. MK ikamesinin SIFCON matrisi basınç dayanımda yarattığı artış, aderans maksimum yükünde de artışa sebep olmuştur. Çimento esaslı kompozitlerin matrisinin mekanik özelliklerinin iyileşmesi sonucunda aderans dayanımında artış olması bilinen bir gerçektir [9-16]. İkinci etken ise çelik lif-matris arayüzeyinde (Resim 8) bol miktarda bulunan CH ve MK nın puzolanik reaksiyona girmesidir. Bu reaksiyon arayüzeyin güçlenmesine katkı sağlamaktadır. MK15 karışımından lif çekilmesi ile elde edilen taramalı elektron mikroskobu görüntüsü Resim 9 da sunulmaktadır. Lifin sıyrıldığı bölgede görüntülenen arayüzeyde sürtünme sonucu oluşan mikro çizikler mevcuttur. Resim 6 Ortalama maksimum aderans yükleri Resim 7 MK ikamesinin aderans parametrelerinde sağladığı artış oranları 304

8 Resim 8 SIFCON kompozitin optik mikroskop altında fazlarının görüntüsü (Parlak kesit) Resim 9 Sıyrılma sonrası lif matris arayüzeyi Resim 10 da ortalama sıyrılma tokluğu değerleri yer almaktadır. Sıyrılma tokluğu, yük sıyrılma eğrisi altındaki kalan alanı ifade etmektedir. Sıyrılma toklukları her numune için 22 mm sıyrılmaya kadar hesaplanmıştır. MK ikamesi ile maksimum yük değerine benzer şekilde çelik lifin sıyrılma tokluğunda da artış görülmektedir. Kancalı lif durumunda %15 MK ikamesi ile sıyrılma tokluğu %34 artarken, %30 MK ikamesi ile %38 oranında artmıştır (Resim 7). Söz konusu artışlar kancasız lif için daha düşüktür (% 4-10). Resim 10 Sıyrılma toklukları 305

9 Yük sıyrılma eğrilerininde görüldüğü üzere kancalı ve kancasız liflerin aderans parametreleri arasında çok büyük farklar vardır. Kancalı lif ile kancasız lifin neredeyse 3 katı maksimum aderans yüküne ulaşılmıştır. Bu davranış sıyrılma tokluğu için de geçerlidir. Lifin kancalı olması %180 ila %199 oranında maksimum yükü ve %129 ila %187 oranında sıyrılma tokuluğunu arttırmıştır (Resim 11). 4. Sonuçlar Resim 11 Bağıl olarak maksimum aderans yükü ve sıyrılma toklukları SIFCON matrisinden tek lif çekip çıkarma deneyi ile belirlenen lif matris aderansına metakaolin ikame oranının ve çelik lif geometrisinin etkisinin araştırıldığı çalışmada aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır: MK dozajındaki artış, süperakışkanlaştırıcı ihtiyacını ve karışım viskozitesini arttırmıştır. Çimento yerine ağırlıkça %15 MK ikamesi basınç dayanımını belirgin bir şekilde arttırmıştır. Bu oranın % 30 a çıkartılması basınç performansında ilave artış sağlamamıştır. MK ikamesi ile kancalı lifin maksimum yük değerinde artış görülmektedir. Çalışmaya konu olan oranlar arasında %15 ikame oranı basınç dayanımına paralel olarak optimum oran olarak ifade edilebilir. Kancasız lifte ise aderans özellikleri geliştirilememiştir. Kancalı lif durumunda %15 MK ikamesi ile sıyrılma tokluğu %34 artarken, %30 MK ikamesi ile %38 oranında artmıştır. Söz konusu artışlar kancasız lif için düşük mertebededir (%4 %10 ). Lifin kancalı olması maksimum yükü %180 ila %199 oranında, sıyrılma tokluğunu %129 ila %187 oranında arttırmıştır. 306

10 Teşekkür Yazarlar, Modern Beton adına Nagihan HALDENBİLEN e ve Bekaert İzmit Çelik Kord Sanayi ve Ticaret A.Ş. ye teşekkür eder. Kaynaklar [1] Scheneider, B., 1992, Development of SIFCON Through Applications, High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, E&FN Spon, pp [2] Yazıcı, H., Aydın, S., Yiğiter, H., Yardımcı, M.Y., Alptuna, G., 2010, Improvement on SIFCON Performance by Fiber Orientation and High-Volume Mineral Admixtures, Journal of Materials in Civil Engineering, 22(11): [3] Bentur, A., Diamond, S., Mindess., S, 1985, The microstructure of the steel fibrecement, Journal of Materials Science, 20(10): [4] Neville, AM., 1973, Properties of concrete, John Wiley & Sons, New York. [5] Bentur, A., Wu, S.T, Banthia, N., Baggott, R., Hansen, W., Katz, A., et al., 1995, Fibrematrix interfaces, High Performance Fibre Reinforced Cementitious Composites, Chapman and Hall, London. [6] Banthia, N., Bentur, A., Mufti, A., 1998, Fiber reinforced concrete: present and future, The Canadian Society for Civil Engineering. [7] Chan, Y.W., Li, V.C., 1997, Effects of transition zone densification on fiber/cement paste bond strength improvement, Advanced Cement Based Materials, 5(1):8-17. [8] Kayali, OA..,2004, Effect on high volume fly ash on mechanical properties of fiber reinforced concrete, Materials and Structures, 37(5): [9] Chan Y.W., Chu, S.H., 2004, Effect of silica fume on steel fiber bond Characteristics in reactive powder concrete, Cement and Concrete Research, 34(7): [10] Tuyan, M., & Yazıcı H, 2012, Pull-out behavior of single steel fiber from SIFCON matrix, Construction and Building Materials, 35: [11] Abu-Lebdeh, T., Hamoush, S., Heard, W., Zornig, B., 2011, Effect of matrix strength on pullout behavior of steel fiber reinforced very-high strength concrete composites. Construction and Building Materials 25(1): [12] Shannag, MJ., Brincker, R., Hansen, W., 1997, Pullout behavior of steel fibers from cement-based composites. Cement and Concrete Research, 27(6): [13] Beglarigale, A., Yazıcı, H., 2013, The effect of alkali silica reaction on steel fiber matrix bond characteristics of cement based mortars, Construction and Building Materials, 47: [14] Kim, J J., Kim, D J., Kang, S T., Lee, J H., 2012, Influence of sand to coarse aggregate ratio on the interfacial bond strength of steel fibers in concrete for nuclear power plant, Nuclear Engineering and Design, 252:

11 [15] Silva, F.A., Mobasher, B., Soranakom, C., Filho, R.D.T., 2011, Effect of fiber shape and morphology on interfacial bond and cracking behaviors of sisal fiber cement based composites, Cement & Concrete Composites, 33(8): [16] Beglarigale, A., Steel-fiber matrix bond characteristics of cement based composites, M.Sc., Dokuz Eylül university. [17] Siddique, R., Klaus, J., 2009, Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: A review, Applied Clay Science, 43(3-4): [18] Changling, H., Osbaeck, B., Makovicky, E., 1995, Pozzolanic reaction of six principal clay minerals: activation reactivity assessments and technological effects, Cement and Concrete Research, 25(8): [19] Zhang, M.H., Malhotra, V.M., 1995, Characteristics of a thermally activated aluminosilicate pozzolanic material and its use in concrete, Cement and Concrete Research, 25(8): [20] Ambroise, J., Maximilien, S., Pera, J., 1994, Properties of metakaolin blended cements, Advanced Cement Based Materials, 1(4): [21] Parande, AK., Ramesh Babu, B., Karthik, MA., Kumaar, KK., Palaniswamy, N., 2008, Study on strength and corrosion performance for steel embedded in metakaolin blended concrete/mortar, Construction and Building Materials, 22(3): [22] Ramezanianpour, A A., Jovein, B., 2012, Influence of metakaolin as supplementary cementing material on strength and durability of concretes, Construction and Building Materials, 30: [23] Wild, S., Khatib, JM., Jones, A., 1996, Relative strength, pozzolanic activity and cement hydration in superplasticized metakaolin concrete, Cement and Concrete Research, 26(10): [24] Ding, Z., Zhang, D., Yu, R., 1999, High strength composite cement, China Build Mater Sci Technol, 1:14 7. [25] Brooks, J.J., Johari, M.M.A., 2001, Effect of metakaolin on creep and shrinkage of concrete, Cement & Concrete Composites, 23(6): [26] Li, Z., Ding, Z., 2003, Property improvement of Portland cement by incorporating with metakaolin and slag, Cement and Concrete Research, 33(4): [27] Jin, X., Li, Z., 2003, Effects of mineral admixture on properties of young concrete, Journal of Materials in Civil Engineering, 15(5):