LİFLİ HAFİF BETONLARIN OPTİMUM KARIŞIM TASARIMI Bengi ARISOY 1 arisoyb@eng.ege.edu.tr Öz: Bu bildiride, rasgele dağıtılmış kısa Polyvinyl alcohol (PVA) liflerle donatılandırılmış yapay hafif agregalar (cenosphere) kullanılarak üretilmiş betonların dayanımlarının ve sünekliğinin arttırılması için en uygun malzeme karışımının yada optimum malzeme karışımının (optimal mix design) performansa dayalı tasarım yöntemi kullanılarak belirlenmesi üzerine bir çalışma sunulmuştur. Performansa dayalı optimum malzeme karışım analizinde, çeşitli yükler altında malzemeden beklenen davranışın önceden belirlenip, bu doğrultuda değişik ölçütlerde en iyi karışım belirlenir. Bu çalışmada yüksek mertebelerde süneklik gösteren bir malzeme elde etmek hedeflenmiştir. Yöntem olarak kırılma mekaniğinden yararlanılmıştır. Normal betona kıyasla düşük dayanımlı olan hafif betonun rasgele dağıtılmış kısa liflerle donatılandırıldığı taktirde sünekliğinin yanı sıra eğilme dayanımında önemli ölçülerde, hafif beton ile kıyaslandığında basınç dayanımında az ölçülerde artış kaydedilmiştir. Bu çalışmada hazırlanan lif hacim fraksiyonu.15 olan PVA lifli, yapay hafif agregalı beton birim ağırlığında normal betona kıyasla yüzde 3 ile 12 oranında azalma, buna karşılık eğilme gerilmesinde yüzde 5 ile 25 oranında artışlar kaydedilmiştir. Anahtar Kelimeler: Fiber, Fiber Reinforced Composites, Lightweight Concrete, Lifli Beton, Hafif Beton, Fracture Mechanics Giriş Türkiye de lifli beton aktif olarak asbestli çimento olarak güncel yaşamımıza girmiştir. Asbestin kanserojen olması dolayısı ile asbestli çimento çok hızlı bir şekilde yerini alternatif liflerle donatılandırılmış çimento ya da çimento karışımlarına bırakmıştır. Çelik lifler, doğal lifler (talaş ya da rendelenmiş ağaç, yün, keten ya da pamuk lifler), yapay lifler (cam yünü, pilastik kökenli lifler) gibi malzemeler beton içine eklenecek lif olarak kullanılmaktadır. Rasgele dağıtılmış kısa liflerle donatılandırılmış betonların yada kompozitlerin iki türlü uygulaması vardır: 1) kısa lifler rasgele çimento pastasının içine karıştırılır, agrega, kum gibi betonu oluşturan malzemelerden biri olarak kullanılır ve bununla oluşturulan yapı elemanı geleneksel olarak donatılandırılır, 2) rasgele beton içine karıştırılmış lifler doğrudan donatı olarak kullanılır, başka bir donatı kullanılmaz. Bu bildiride 2. uygulama konusu işlenmiştir. Rasgele dağıtılmış kısa liflerle donatılandırılmış çimento pastası yada beton karışımları, normal betondan farklı olarak, sadece çimento, kum, su, lifler ve çeşitli katkı malzemeleri kullanılarak imal edilirler. Tasarlanacak olan elemanın en iyi malzeme ve mekanik özelliklere sahip olması için, kullanılan malzeme miktarını ve özelliklerini dikkate alarak yapılan çalışma sonucu elde edilen karışıma iyileştirilmiş beton (ECC-Engineered Cementitious Composites) denilmektedir. Normal beton çekme dayanımı düşük olmasının yanı sıra oldukçada kırılgan bir elemandır. Buna karşılık lifli beton (iyileştirilmiş beton) içinde kullanılan liflerin sayesinde, beton çekme dayanımı artmakta dolayısı ile daha sünek bir malzeme haline gelmektedir. Gerek hafifliği gerekse yalıtım özelliği dolayısı ile hafif betonlar yapı dış cephe ve iç duvarlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda hafif betonun uygulama alanları hızla artmaktadır. Büyük açıklıklı çatı örtüleri ve yüzer dalgakıran bu uygulamalardan bazılarıdır. Ancak normal betona göre oldukça zayıf olan hafif betonun, uygulama alanlarında ki ihtiyaca karşılık verebilmesi için mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gereği ortaya çıkmıştır. Böylece lifli hafif beton konusunda çalışmalar hızlanmıştır. Hafif betonun taşıyıcı eleman olmasını da hedefleyen tasarımlar oluşmuştur. Bu bildiride PVA liflerle donatılandırılmış, yapay, içi boş, yuvarlak agregalar ile hafifleştirilmiş lifli hafif betonun malzeme ve mekanik özellikleri incelenecektir. Performansa Dayalı Tasarım Performansa dayalı tasarım oldukça kırılgan olan betonun liflerle donatılandırılarak istenilen oranda sünek hale getirilmesi esasına dayanmaktadır. Betonun kırılma mekanizması ilk çatlağın oluşmasıyla tamamlanmaktadır. Kısa ve 912
rastgele dağıtılmış liflerle donatılandırılmış betonda ise kırılma mekanizması bir çok paralel çatlağın oluşması ile tamamlanır. Beton içinde, gerek priz anında oluşan mikro çatlaklar gerek içsel gerilmelerden oluşan çatlaklar, eleman çalışmaya ve yük almaya başladıktan sonra büyümeye başlayacaktır. Çatlak, beton içinde ilerlerken liflerle karşılaştığında, çatlağın ilerlemesini sağlayan gerilme enerjisi liflere aktarılacak ve lifler tarafından karşılanmaya başlayacak, lif bu enerjiyi karşılayamadığı anda ya kopacak ya da betondan sıyrılacaktır. Lif koptuktan yada sıyrıldıktan sonra, gerilme enerjisi tekrar betona aktarılacak, çatlak bir sonraki lifle karşılaşıncaya kadar ilerlemeye devam edecektir. Bu işlem yük arttıkça tekrarlanacak ve elemanda paralel çatlaklar oluşacaktır. Nihai kırılma gerçekleşinceye kadar elemanda oluşan paralel çatlaklar elemanın sünekleştiğinin göstergesidir. Normal beton ile lifli betonların yükdeplasman eğrisine bakıldığında, ilk çatlak oluştuktan sonra normal beton derhal kırılacak, ancak lifli beton yük almaya devam edecek, hatta eğilme dayanımının artığı görülecektir (Bentur ve Mindess, 199). Malzemenin sünekliği ve süneklik miktarı, eklenecek olan liflerin malzeme özellikleri, miktarı (lif hacim fraksiyonu), matris ile etkileşimi yani matris-lif arasındaki bağ kuvvetleri ve kompozitin enerji yutma kapasitesine bağlıdır. Kompozitin enerji yutma kapasitesi ise matris kırılma dayanımı (K m ) ve elastisite modülünün bir fonksiyonudur. Bir başka deyişle kompozit energi yutma kapasitesi, liflerin ve matrisin malzeme ve mekanik özelliklerine bağlı olarak belirlenebilir. Buna bağlı olarak da hedeflenen süneklik için lif hacim fraksiyonu belirlenebilir. Bu belirtilen esaslar çerçevesinde ikici aşama olarak, hazırlanan kompozitin mekanik özellikleri test edilerek ölçülebilir. Bu bildiriyi oluşturan çalışmada, sünek bir kompozit elde etmek için kullanılması gereken lif miktarı (lif hacim fraksiyonu), teorik olarak Li ve arkadaşları (Li, 1992; Li and Leung, 1992; Li and Wu, 1992) tarafından 199 lı yıllarda ortaya atılan performansa dayalı tasarım yöntemi kullanılarak elde edilmiş ve aşağıda gösterilen eşitlik kullanılmıştır. 12G tip V f crit = E f (d f /L f ) 2 (1+η) (1) g τ 2 L f burada G tip kompozit enerji yutma kapasitesi, g = 2(1 + e πf/2 )/(4 + f 2 ) (germe faktörü), f germe katsayısı, τ bağ gerilmesi, L f lif uzunluğu, d f lif çapı, η=v f E f / (1-V f ) E m ; V f lif hacim fraksiyonu, E f lif elastisite modülü, ve E m matris elastisite modülüdür. Bu formülde, germe faktörü, matris ve lif elastisite modülü ve lif fiziksel özellikleri sabit olacak şekilde, kompozit enerji yutma kapasitesi, lif hacim fraksiyonu ve bağ gerilmesinin bir fonksiyonu olarak elde edilebilir ve grafik olarak gösterilebilir. Lif hacim fraksiyonu- bağ gerilmesi grafiği Şekil 1 de gösterilmiştir. Elde edilen bu grafikten çeşitli bağ gerilmesi ve kompozit enerji yutma kapasiteleri için lif hacim fraksiyonu belirlenir. Böylece sünek bir malzeme için gerekli lif miktarı matris ve lif özelliklerine bağlı olarak tespit edilmiş olur. Kritik Lif Hacim Fraksiyonu, Vfcrit.6.5.4.3.2.1..2.4.6.8 1. 1.2 1.4 Bag Gerilmesi (MPa) Gtip=.7 kj/m2 Gtip=.6 kj/m2 Gtip=.5 kj/m2 Gtip=.4 kj/m2 Gtip=.3 kj/m2 Gtip=.25 kj/m2 Şekil 1. Kritik Lif Hacim Fraksiyonu, V f crit,- Bağ Gerilmesi Grafiği (E f =4GPa, L f =15 mm, d f =.37 mm, g=2., E m =15 GPa) (Arisoy,22) Deneysel Çalışma İlk aşamada; hafif, yüksek performanslı, ve sünek bir malzeme elde edebilmek için optimal karışım oranları üzerine çalışılmıştır. Bu amaçla ilk olarak kırılma dayanımı test numulereleri hazırlanmış ve test edilmiştir. Test sonuce elde edilen matris kırılma gücünden (fracture toughness) kompozit kırılma gücü (enerji yutma kapasitesi- kompozit fracture toughness) belirlenmiş ve en düşük bağ kuvveti için gerekli lif miktarı Şekil 1 de verilen grafikten belirlenmiştir. 913
Belirlenen lif hacim fraksiyonu ile hazırlanan eğilme numuneleri ikinci aşama olarak üç noktalı eğilme testi ile test edilmiştir. Sonuçlar yorumlanarak en iyi karışım kompozisyonları tespit edilmiştir. Kullanılan Malzemeler Bu çalışmada kullanılan malzemeler: Portland çimentosu, özgül ağırlığı 3.15 g/cm 3, uçucu kül, özgül ağırlığı 2.6 g/cm 3 ve partikül çapı 5 ila 15 µm, silika tozu, özgül ağırlığı 1.34 g/cm 3 ve partikül çapı.1 ila 1 µm, içi boş, yuvarlak şekilli yapay agrega, özgül ağırlığı.64 g/cm 3 ve partikül çapı 3 µm, Sphere Services Inc., tarafından üretilmiş, polyvinyl alcohol (PVA) lifler, özgül ağırlığı 1.3 g/cm 3, uzunluğu 15 mm, çapı 37 µm ve elastisite modülü 4 GPa, Kuraray Co., tarafından üretilmiş, sıvılaştırıcı katkı maddesi (superplastizer, Daracem- SP), özgül ağırlığı 1.1 g/cm 3, Grace Cons. Products, Inc., tarafından üretilmiş. Yapılan Deneyler Sünek bir malzeme elde edebilmek için optimal olarak gerekli lif miktarı belirlendikten sonra test yapılma aşamasına geçilebilir. Bu bildiriyi oluşturan çalışmada üç tür test yapılmıştır: 1) kırılma, 2) üç noktalı eğilme ve 3) basınç deneyi. Matris kırılma deneyi, kompozit enerji yutma kapasitesini, eğilme deneyi kompozit sünekliliğini ve liflerin eğilme dayanımına katkısını, basınç deneyi ise liflerin basınç dayanımına katkısını belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Deneyler 98 N kapasiteli MTS hidrolik test makinası ile yapılmıştır. Numune Boyutları Kırılma dayanımı için numuneler 35 mm uzunluğunda, 63.5 mm yüksekliğinde, 32 mm kalınlığındadır ve numunenin ortasında numune hazırlanırken 1 mm derinliğinde bir çatlak oluşturulmuştur. Eğilme dayanımı için 35 mm uzunluğunda, 76 mm genişliğinde ve 13 mm kalınlığında numuneler hazırlanmıştır. Basınç dayanımları için 12 mm çapında ve 23 mm yüksekliğinde silindirler hazırlanmıştır. Karışım Kompozisyonları Bütün hafif agregalı numuneler için oluşturulan karışım kompozisyonları Tablo 1 de verilmiştir. Bütün beçlere.2 oranında sıvılaştırıcı, eğilme dayanımı testleri için bütün beçlere lif hacim fraksiyonu.15 olan PVA lifler eklenmiştir. Tablo 1. Hafif Beton Karışım Kompozisyonları Numune Hafif Uçucu Silika Yoğunluk Km Çimento Adı Agrega Kül Tozu (g/cm3) (MPa-m1/2) LWA1 1..2.2. 1.5~1.6.19~.28 LWA2 1..4.2. 1.2~1.55.21~.23 LWA3 1..6.2. 1.2~1.2.13 LWA4 1. 1..2..7~.9.98~.6 LWA5 1..4.2.1 1.18~1.2.1751 LWA6 1..4.1.1 1.3~1.31.2282 Su-Çimento Oranları Kullanılan hafif agreganın kendi bünyesinde çok miktarlarda su tutması nedeniyle, karışım içindeki agrega miktarı arttıkça eklenecek su miktarıda artacaktır. Bundan dolayı bütün beçler için sabit yada yaklaşık olarak sabit bir çimentosu oranı mevcut değildir. Ancak beçler arası uyumu sağlamak amacıyla numulere yayılma testi uygulanmış, 914
karışımların ayni sıvılıkta olmasına özen gösterilmiştir. Bunu sağlamak amacıyla taban çapı 9 cm, üst çapı 4.3 cm ve yüksekliği 15.25 cm olan bir koni kullanılmıştır. Hazırlanan karışımın yayılma oranı belirlenmiş ve bu değer bütün beçlere uygulanmıştır. Liflerin Etkisisi Şekil 2 de görüldüğü gibi %1.5 hacim fraksiyonu ile lifli hafif beton hafif betona göre oldukça yüksek oranda süneklik göstermiştir. Ayni zamandada nihai gerilmesinde de artışlar kaydedilmiştir. Şekil 3 de eğilme elemanının yükleme sırasında gösterdiği dformasyon verilmiştir. Fotoğrafta elemanda oluşan paralel çatlaklar açıkça görülmektedir. Lifler basınç elemanlarında da etkili olmuşlardır. Lifli hafif betonun basınç dayanımında hafif betona kıyasla az bir artış gözlenmiş bununla beraber, hafif beton silindir elemanlar basınç dayanımına ulaştıklarında dağılarak kırılmışlar ancak lifli beton kırıldığı halde dağılmadan formlarını korumuşlardır. 25 2 Yuk (N) 15 5 1 2 3 4 Fiber Reinforced LWA C Plain LWAC Şekil 2. Lifli ve lifsiz hafif beton yük-deplasman eğrisi (Arısoy,22) Şekil 3.Üç noktalı eğilme deneyi sırasında LWA1 lifli hafif beton elemanında oluşan paralel çatlaklar ve deformasyon (Arısoy,22) Hafif Agreganın Etkisi Hafif agrega miktarı arttıkça yoğunluk azalmıştır. Hafif betondaki agrega miktarına göre elde edilen yoğunluklar Tablo 1 de gösterilmiştir. Yoğunluğu yanısıra hafif betonun kırılmaya karşı koyucu gücü (fracture toughness, K m ) değeride artan agrega miktarıyla azalma göstermiştir (Tablo 1). Ayni zamanda karışımın eğilme yükü taşıma kapasitesi agrega miktarı arttıkça azalmıştır (Şekil 4). Bunun başlıca iki nedeni vardır: 1) Hafif agreganın gerilme dayanımı etrafındaki mortardan daha azdır ve gerilme etkisi altında normal agregadan farklı olarak kendi içinden kırılacaktır 2) Hafif agrega miktarı arttıkça birim kesit alandaki agrega miktarı artacağından dayanım düşmektedir. Dolgu Maddelerinin Etkisi Dolgu maddesi olarak karışıma eklenen uçucu kül ve silika tozunun etkisi Şekil 5 de gösterilmiştir. Çimento miktarının %3 oranında olan dolgu miktarı (%2 uçucu kül, %1 silika tozu) eklenmiş olan karışımlar %2 oranında dolgu malzemesi içeren karışımlardan daha dayanıksız, karışımda %1 uçucu kül ve %1 silika tozu bulunan kompozisyonlar %2 oranında uçucu kül bulunan kompozisyonlara oranla daha dayanıklı olduğu belirlenmiştir. 915
Yuk (N) 5 4 3 2 LWA 1 LWA 2 LWA 3 LWA 4 5 1 15 2 25 3 35 4 Şekil 4. Farklı Miktarlardaki Aggrega İçin Yük-Deplasman Eğrisi (Arısoy,22) Yuk (N) 3 25 2 15 5 LWA 5 LWA 6 5 1 15 2 25 3 35 4 Şekil 5. Farklı Miktarlardaki Dolgu Maddeleri (Uçucu Kül Ve Silika Tozu) İçin Yük-Deplasman Eğrisi (Arısoy,22) Sonuçlar Lif hacim fraksiyonu.15 (hazırlanan malzeme hacmine oranı) olacak miktarda lif kullanılarak elde edilen kompozitte normal hafif betona oranla yüksek mertebelerde süneklik elde edilmiştir. Kullanılan çimento miktarının yüzde 2 si oranında yapay hafif agrega eklenmesi halinde birim hacim ağırlığında yüzde 3 ile 35 oranında, çimento miktarının yüzde ü oranında yapay hafif agrega eklenmesi halinde birim hacim ağırlığında yüzde ile 12 oranında azalma gözlenmiştir. Buna karşılık eğilme gerilmesinde.2 oranında yapay agrega eklenmesi halinde yüzde 25, 1. oranında yapay agrega eklenmesi halinde ise yüzde 5 artış gözlenmiştir. Bunun yanı sıra bütün karışımlarda kullanılan.2 oranında uçucu kül yerine.1 oranında uçucu kül ve.1 oranında silika tozu kullanıldığında eğilme gerilmesi yüzde 6 oranında artış göstermiştir. Lifli hafif betonun basınç dayanımında hafif betona kıyasla az bir artış gözlenmiş bununla beraber, hafif beton silindir elemanlar basınç dayanımına ulaştıklarında dağılarak kırılmışlar ancak lifli beton kırıldığı halde dağılmadan formlarını korumuşlardır (yapılan deneyler hakkında detaylı bilgi Arısoy,22 referansından elde edilebilir). Kaynaklar Arisoy, B., 22. Development And Fracture Evaluation of High Performance Fiber Reinforced Lightweight Concrete, Doktora tezi, Wayne State University, Faculty of Engineering, Civil Engineering Dep. Detroit, MI, USA. Bentur, A. and Mindess, S., 199. Fiber Reinforced Cementitious Composites. An Elsevier Science Publishers Ltd., London. Li, V.C., 1992. Postcrack Scaling Relationships for Fiber Reinforced Cementitious Composites, J.of Materials in Civil Engineering, V.4, No.1, pp.41-56. Li, V.C. and Leung, C.K.Y., 1992. Steady-State and Multiple Cracking on Short Random Fiber Composites, J. of Engineering Mechanics, V.118, No.11, pp.2246-2264. Li, V.C. and Wu, H.C., 1992. Conditions for Pseudo Strain-Hardening in Fiber Reinforced Brittle Matrix Composites, J. of Applied Mechanics Reviews. 916