POLİMER-ALÇI-ÇİMENTO KOMPOZİTLERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SATILMIŞ BASAN, ZEKIYE KARADENIZ, SEMIN BAYRAK Hitit Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 19030,ÇORUM satilmisbasan@hitit.edu.tr Özet Bu çalışmada, beton bileşenleri olan kum, çimento ve alçı kullanılarak yeni bir inşaat malzemesi geliştirilmeye çalışılmıştır. Değişik oranlarda, polimer-alçı, polimer-alçı-çimento, polimer-alçı-kum-çimento kompozitleri hazırlanarak bunların yoğunlukları, su absorpsiyonu, tek eksenli basma dayanımı ve eğilme dayanımları gibi farklı fiziksel ve mekanik özellikleri, betonun özellikleri ile kıysalanmış ve elde edilen bu parametre değerlerinin polimer içeriği ile değişimleri incelenmiştir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, karışımlardaki polimerin oranı arttıkça yoğunluk ve su absorbanslarının düzenli bir şekilde azaldığı gözlenmiştir. Hazırlanan kompozit örneklerinin basma ve eğilme dayanımlarının kıyas malzemesi olan betondan daha yüksek olduğu bulunmuştur. Bu değerlerin kompozitte bulunan polimer miktarı ile değişimi incelendiğinde de, %30 oranında sonra polimer oranı arttıkça basma ve eğilme dayanımın azaldığı gözlenmiştir. Bu incelemedeki bütün özellikler ve değerler göz önüne alındığında, beton bileşenleri olan kum ve çimentonun yanına alçı ve polimer katıldığında, betondan daha hafif, su geçirmeyen, basma ve eğilme dayanımı ondan daha iyi olan yeni bir yapı malzemesinin elde edildiği söylenebilir. Anahtar Kelimeler: Kompozit, alçı, çimento, kum, eğilme dayanımı,basma dayanımı. 1. GİRİŞ Uygun oranlarda çimento, agrega ve suyun karışımından elde edilen, plastik özellikte, işlenebilen ve istenilen şekilde kalıplanan bir yapı maddesi olan beton günlük yaşamda tüm yapılarda yaygın biçimde kullanılmaktadır. Ancak birçok olumlu özelliğinin yanında betonun sabit yük altında kalıcı deformasyona uğraması, çekme dayanımının düşük olması, gevrek yapısı nedeniyle çatlama yapması gibi dezavantajları bulunmaktadır. Bu dezavantajlarını iyileştirmek için beton içine çeşitli polimerik katkı maddeleri ilave edilmesi yönündeki
çalışmalar özellikle son yıllarda hız kazanmıştır. Polimerlerle elde edilen yapı malzemeleri beton kompozitlerine göre daha hafiftir. Bu da binalarda kolonlara düşen yük miktarı azalmasına sebep olur. Polimerik malzemeler enerjiyi emecek yapıya sahiptir. Böylelikle oluşabilecek bir deprem sırasında oluşan enerjiyi bünyesine alarak bu enerjinin zarar vermesini önler. Bu çalışmada betonun esnekliğini arttırmak, çekme dayanımını iyileştirmek ve gözenekliliğini azaltmak için beton içine alçı ve polimer katılarak mekanik ve fiziksel özelliklerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. 2. KULLANILAN MALZEMELER ve DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada Boytek Reçine Boya ve Kimya sanayisinden BRE 3020 polyester, Yibitaş- Lafarge Çimento Fabrikası ndan portland çimentosu, Erdoğan Bağlantı Sistemleri nden (EBS) benzoil peroksit kullanılmıştır. Katkı maddesi olarak kullanılan alçı, 1 saat süre ile kül fırınında 600 C de yakılmıştır. Yapılan çalışmada amaç betondan daha esnek ve daha dayanıklı bir yapı malzemesi elde etmektir. Bunun için alçı ve başlatıcı miktarları sabit tutulup, polyester oranının kütlece %30, %40, %50 ve %60 olarak değiştiği polimer-alçı (P+A), polimer-alçı-çimento (P+A+Ç), polimer-alçı-çimento-kum (P+A+Ç+K) bileşenlerinden oluşan kompozit örnekleri hazırlanmıştır. Deneylerde su kullanılmamıştır. Hazırlanan örneklerin yoğunluk ve su absorplamaları ile tek eksenli basma dayanımları ve eğilme dayanımları çalışma kapsamında incelenmiştir. Örnekler, 4cmx4cm eninde 16 cm boyunda dikdörtgen prizma şeklindeki beton kalıplarında hazırlanmıştır. Örnekler kalıplardan çıkarılmadan once atmosferik koşullarda 24 saat bekletilmiştir. Kalıplardan çıkarılan örnekler mekanik deneyler için hazır hale getirilmiştir. Deneyler 7 ve 28 günlük örnekler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Örneklerin 200 tonluk kapasiteli hidrolik pres ile tek eksenli basma dayanımı deneyleri Bayındırlık ve İskan Müdürlüğünün Beton ve Zemin Laboratuarları nda, eğilme dayanımı deneyleri ise Türk Standartları Enstitüsü nde yapılmıştır.
3. DENEYSEL BULGULAR Hazırlanan örneklerin yoğunluk değerleri Tablo 1. de verilmiştir. Polimer Oranı Hacim (cm 3 ) Kütle (gr) Yoğunluk (gr/cm 3 ) 1.Grup Örnek (P+A) 30% 256 465,9 1,8199 40% 256 413,6 1,6156 50% 256 370,7 1,4480 60% 256 362,6 1,4164 2.Grup Örnek (P+A+Ç) 30% 256 470,2 1,8367 40% 256 452,5 1,7676 50% 256 401,1 1,5668 60% 256 364,4 1,4234 3.Grup Örnek (P+A+Ç+K) 30% 256 451,8 1,7648 40% 256 424 1,6563 50% 256 384,8 1,5031 60% 256 359,9 1,4059 Tablo1. Örneklerin yoğunluk değerleri Tablo 1 deki veriler kullanılarak, hazırlanan örnekler için çizilen polimer oranı-yoğunluk grafiği Şekil 1. de görülmektedir. Şekil 1. Kompozit örneklerin polimer oranı -yoğunluk değişimi grafiği
Örneklerin su absorplama özelliklerinin incelenmesi için yapılan deneyler sonucunda elde edilen su absorplama yüzdelerinin değerleri Tablo 2 de gösterilmiştir. Polimer Oranı Su Absorplama Yüzdesi (%) 1.Grup Örnek (P+A) 30% 1,3439 40% 0,5110 50% 0,4207 60% 0,3979 2.Grup Örnek (P+A+Ç) 30% 0,2648 40% 0,3686 50% 0,3990 60% 0,3884 3.Grup Örnek (P+A+Ç+K) 30% 0,3754 40% 0,2332 50% 0,3210 60% 0,3061 Tablo 2. Örneklerin yüzde su absorplama değerleri Tablo 2 de gösterilen veriler kullanılarak çizilen su absorplama yüzdesi-polimer oranı grafiği Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Örneklerin polimer oranı-su absorplama yüzdesi grafiği
Hazırlanan örneklere uygulanan tek eksenli basma dayanımı deneyinde elde edilen sonuçlar Tablo 3. de verilmiştir. TEK EKSENLİ BASMA DAYANIMI DENEY SONUÇLARI Polimer Oranı Kuvvet (kgf) Dayanım (kgf/cm 2 ) 1.Grup Örnek (P+A) 30% 41308 645,44 40% 47240 738,13 50% 35298 551,53 60% 17086 266,97 2.Grup Örnek (P+A+Ç) 30% 49462 772,84 40% 39830 622,34 50% 40144 627,25 60% 18276 285,56 3.Grup Örnek (P+A+Ç+K) 30% 66250 1035,16 40% 40216 628,38 50% 27810 434,53 60% 16478 257,47 Tablo 3. Örneklerin tek eksenli basma dayanımı değerleri Tablo 3. de gösterilen değerler kullanılarak polimer oranına bağlı olarak örneklerin basma dayanımlarının değişimi Şekil 3. de gösterilmiştir. Şekil 3. Örneklerin polimer oranı- basma dayanımı değişim grafiği
Örneklere uygulanan eğilme dayanımı deneyinde elde edilen sonuçlar Tablo 4. de verilmiştir. Polimer Oranı Kuvvet (kgf) Dayanım (kgf/cm2) 1.Grup Örnek (P+A) 30% 9350 935 40% 12830 1283 50% 8790 879 60% 4530 453 2.Grup Örnek (P+A+Ç) 30% 7730 773 40% 8270 1200 50% 15070 1507 60% 5410 541 3.Grup Örnek (P+A+Ç+K) 30% 10250 1025 40% 7360 736 50% 4820 482 60% 4210 421 Tablo 4. Örneklerin eğilme dayanımı değerleri Tablo 4. de verilen değerler kullanılarak polimer oranına bağlı olarak örneklerin eğilme dayanımlarının değişimi Şekil 4. de gösterilmiştir. Şekil 4. Örneklerin polimer oranı- eğilme dayanımı değişim grafiği
3. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Çalışmada yapılan fiziksel deneyler yoğunluk ve su absorpsiyonu deneyleridir. Şekil 1. de verilen grafikten yoğunluk değişimleri incelendiğinde tüm örneklerde polimer oranı arttıkça örneklerin yoğunluklarının azaldığı görülmüştür. Yapılan su absorpsiyonu deneyi sonucunda bütün örneklerde ihmal edilebilecek kadar az suyun absorbe olduğu gözlenmiştir. Bunun nedeni hazırlanan numunelerde kullanılan polimerik malzemenin tüm gözenekleri doldurmasıdır. Dolayısıyla hazırlanan örneklerin çalışma amacına uygun oldukları söylenebilir. Hazırlanan örneklere yapılan mekanik deneyler, tek eksenli basma ve eğilme deneyleridir. Tek eksenli basma deneyinde elde edilen sonuçlar karşılaştırılırsa polimer-alçı örneklerinde en yüksek dayanım gösteren 738,13 kg/cm 2 ile polimer oranı % 40 olan, en düşük dayanım ise 266,97 kg/cm 2 ile polimer oranı % 60 olan örnektir. Polimer-alçı-çimento ve polimer-alçıçimento-kum örneklerinde sırasıyla 772,84 kg/cm 2 ve 1035,16 kg/cm 2 dayanım değerleri ile polimer oranı % 30 olan örneklerin en yüksek dayanıma, 285,56 kg/cm 2 ve 257,47 kg/cm 2 dayanım değerleri ile polimer oranı % 60 olan örneklerin en düşük dayanıma sahip oldukları söylenebilir. Elde edilen sonuçlarla görülüyor ki polimer oranı az olan malzemeler daha dayanıklı, polimer oranı fazla olan malzemeler polimerin verdiği etki ile daha esnek ancak daha dayanıksız bir yapıya sahiptir. TS 500 e göre beton standartlarına ülkemizde BS 20 ve BS 25 sınıfı betonlar kullanılmaktadır. Bu betonlarda istenen basma dayanımı değeri 250-300 kg/cm 2 arasında belirlenmiştir. Yapılan çalışmada tüm örneklerin bu özelliği taşıdığı görülmektedir. Eğilme deneylerinde elde edilen sonuçlar karşılaştırılırsa polimer-alçı örneklerinde en yüksek basma dayanımı gösteren 1283 kgf ile ile polimer oranı % 40 olan, en düşük basma dayanımı ise 453 kgf ile polimer oranı % 60 olan örnektir. Polimer-alçı-çimento örneklerinde en yüksek eğilme dayanımı 1507 kgf değeri ile polimer oranı % 50 olan, en düşük eğilme dayanımı ise 541 kgf değeri ile polimer oranı % 60 olan örnektir. Polimer-alçı-çimento-kum örneklerinde ise en yüksek eğilme dayanımı 1025 kgf kgf değeri ile polimer oranı % 30 olan, en düşük eğilme dayanımı ise 421 kgf değeri ile polimer oranı % 60 olan örnektir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar yapı malzemesi olarak polimer-çimento kompozitlerinin betondan daha dayanıklı, esnek ve gözeneksiz bir yapıya sahip olduğunu göstermiştir. En düşük eğilme dayanımına sahip örnekler tümünde polimer oranı % 60 olan örneklerdir. Bu da polimer miktarının artmasıyla eğilme dayanımının azaldığını gösterir. En iyi eğilme dayanımını ise polimer-alçı-çimento örneklerinde polimer oranı % 50 olan örnek göstermiştir.
Çalışmada örnekler hazırlanırken homojen bir karışımın elde edilmesine dikkat edilmelidir. Polimer oranı arttıkça istenilen homojen karışımın elde edilmediği görülmüştür. Özellikle Polimer-alçı-çimento-kum örneklerinde polimer oranı % 50 ve % 60 olan örneklerin hazırlanmasında kumun dibe çökmesi dayanımın düşük olmasının sebeplerinden biri olabilir. KAYNAKLAR 1. Swamy, R.N. Review,Polymer reinforcement of cement systems,part 1 Polymer impregment concrete. J.Materials Science,14,1521-1553 (1979) 2. Solomotov, V.I Polymer cement concretes and polymer concretes,united States,Atomic Energy Commision, Division of Technical Information,Translation Series,AEC-tr-7147 (1967) 3. Eash,C.W. Shafer, H.H. Reaction of polymer Latexes with portland cement concrete,polymer Concrete, Transport Research Board, National Research Council, Publication No:542,pp 1-8 (1975) 4. BALKANOĞULLARI C., BASAN S. Polimer - Beton Kompozitlerinin Hazırlanması ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi,VI Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, ÖP18 7-10 Eylül 2004, İzmir