ÇELİK LİF KULLANIMININ YÜKSEK PERFORMANSLI
BETONLARIN SÜNEKLİK ÖZELLİĞİNE ETKİSİ
Araş.Gör. Hüseyin YİĞİTER
Yard.Doç.Dr.Selçuk TÜRKEL
[email protected]
[email protected]
D.E.Ü. Müh. Fak. İnş. Müh. Böl. Kaynaklar Kamp. 35160 Buca İzmir
Tel: 0 232 453 10 08
Faks: 0 232 453 11 91
Giriş
Yüksek dayanımlı betonların enerji yutma kapasiteleri gevrek davranış nedeniyle düşük
düzeylerde kalmaktadır. Sönümlenen enerji miktarının azlığı, betonun göçme sürecini
hızlandırmakta ve ani kırılmalar meydana getirmektedir. Özellikle deprem bölgelerinde
yapılacak yapılarda, betondan beklenen özelliklerden birisi de göçmeden önce büyük
deformasyonlar yapıp, ortaya çıkan enerjiyi sönümlemesi diğer bir deyişle sünek (düktil)
davranış gösterebilmesidir.
Belirli özellikleri olan liflerle takviye edilmiş lifli beton ilk görünüşte normal beton
karışımlarına benzemesine rağmen, değişik yükler altında gösterdiği davranış ve performans
açısından geleneksel betondan oldukça farklı bir özelliğe sahiptir. Sözü edilen davranış
farklılığı, beton içerisinde gelişigüzel dağılan liflerin, çatlakların ilk oluşum anında çatlak
sonlarındaki gerilmeleri kendi üstlerine ya da sağlam alanlara transfer ederek işlevlerini
yerine getirmelerinden kaynaklanmaktadır. Bu şekilde betonu yıkılmaya götürecek olan
çatlakların oluşumu ve büyümesi engellenir, kırılma daha büyük yüklerde meydana gelir.
Kompozitlerin ani yüklemelere ya da tekrarlı yüklemelere karşı yeterli dayanıma sahip olması
ve yük altında yutulabilen enerji miktarının fazlalığı açısından liflerin sağladığı artış, lifli
betonların avantajları arasında sayılabilir.
Bu çalışma kapsamında, betonda kullanılan liflerin boyutu ve dozajı gibi değişkenlerin taze
beton özelliklerine ve sertleşmiş betonun mekanik davranışlarına etkileri araştırılmak üzere
deneysel bir program yürütülmüştür. Deneysel çalışmalarda üretilen betonlarda değişken
olarak iki farklı boyutta çelik lif (I: l=30 mm d=0.55 mm, II: l=60 mm d=0.75 mm), üç farklı
lif dozajı (40, 80, 120 kg/m3) seçilmiştir. Üretilen betonlar, taze haldeki özellikleri
saptandıktan sonra 7. ve 28. günlerde serbest basınç ve orta noktadan tekil yüklemeli eğilme
deneyleri ile test edilmişlerdir. Elde edilen deney verileri ile karışımların nihai dayanımları,
elastisite modülleri, enerji yutabilme kapasiteleri bulunmuş ve çelik lif içermeyen kontrol
örnekleri ile karşılaştırılmıştır.
Deneysel Çalışma
Malzemeler:
Deneysel çalışmada üretilen betonlarda PKÇ/A 42.5 tipinde çimento, kireçtaşı kökenli
kırmataş ve doğal dere kumu (Dmax=15 mm), mikrosilika, hiperakışkanlaştırıcı ve şehir
şebeke suyu kullanılmıştır.
Karışımlar:
Bir metreküp betonda kullanılan malzeme miktarları Tablo 1’de verilmektedir.
Tablo 1. Bileşen miktarları
Bileşen
Miktar (kg/m3)
Çimento
550
5-15 mm agrega
841
0-5 mm agrega
325
Kum
484
Su
178
Lif
0-40-80-120
Mikrosilika
82.5
Akışkanlaştırıcı
4.4
Deneyler:
Hazırlanan her karışım için hava sıcaklığı, beton sıcaklığı, slump, taze beton birim hacim
ağırlığı ölçülmüştür. Sıkıştırma şişleme ve sarsma tablası kullanılarak sağlanmıştır. 24 saat
sonra kalıplarından çıkarılan örnekler deney yaşına kadar standart kürde saklanmışlardır.
Basınç deneyleri için gerilme-birim deformasyon, eğilme deneyleri için yük-sehim
ilişkileri çıkarılmıştır. Numuneler maksimum gerilmeye ulaştıktan sonra yükün % 15 azaldığı
ana kadar yüklemeye devam edilmiştir. Maksimum yükten sonra sistematik deformasyon
okuması yapılamamış, ancak son andaki okuma gerçekleştirilebilmiştir.
Deney Sonuçları:
Taze betonların çökme değerleri, lif dozajına göre grafik olarak Şekil 1’de, sertleşmiş
betonların 7 ile 28 günlük basınç ve eğilme dayanımları ise sırasıyla Şekil 2 ve Şekil 3’te
verilmiştir.
25
slump (cm)
20
15
10
lif tipi I
5
lif tipi II
0
0
40
lif dozajı (kg/m3)
80
120
Şekil 1. Karışımların lif dozajlarına göre çökme değişimi
100
basınç dayanımı (MPa)
90
80
70
60
50
lifsiz
tipI,40kg/m3
tipII,40kg/m3
tipI,80kg/m3
tipII,80kg/m3
tipI,120kg/m3
tipII,120kg/m3
40
30
20
10
0
0
7
beton yaşı (gün)
Şekil 2. Karışımların lif tipi ve oranlarına göre zamana bağlı basınç dayanımları
28
20
eğilme dayanımı (MPa)
18
16
14
12
10
8
lifsiz
tipI,40kg/m3
tipII,40kg/m3
tipI,80kg/m3
tipII,80kg/m3
tipI,120kg/m3
tipII,120kg/m3
6
4
2
0
0
7
28
beton yaşı (gün)
Şekil 3. Karışımların lif tipi ve oranlarına göre zamana bağlı eğilme dayanımları
Her bir beton karışımı için 28. günde yapılan basınç deneyindeki gerilme-deformasyon
değerlerinden yararlanarak en küçük kareler yöntemi ile bulunan elastisite modülleri
Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 2. Karışımlara göre elastisite modülleri
Karışım
No
0-0
I-40
II-40
I-80
II-80
I-120
II-120
Dizayn
Tipi
0-16
0-16
0-16
0-16
0-16
0-16
0-16
Lif
Tipi
0
I
II
I
II
I
II
Lif İçeriği
(kg/m3)
0
40
40
80
80
120
120
Elastisite Modülü
(MPa)
33800
40300
31900
33900
38800
38000
31000
Bu değerlerin lif tipi ve dozajına göre değişen grafik gösterimi Şekil 4’te sunulmaktadır.
45000
y = -0,3608x2 + 58,761x + 35008
R = 0,322
40000
elastisite modülü (MPa)
35000
y = -0,9116x2 + 105,73x + 32642
R = 0,485
30000
25000
20000
15000
lif tipi I
10000
lif tipi II
5000
0
0
40
3
lif dozajı (kg/m )
80
120
Şekil 4. Lif dozajına göre karışımların elastisite modülü değişimleri
Enerji yutabilme kapasiteleri, serbest basınç deneylerinde gerilme ile birim şekil değişimi
eğrisinin altında kalan alan, eğilme deneylerinde ise yük ile sehim eğrisi altında kalan alan
olarak tanımlandığından iki durum için de değerleri hesaplanmıştır. Yüklemeler maksimum
yükün % 15 azaldığı noktaya kadar yapıldığından eğri altında kalan alanlar da bu noktaya
kadar hesaplanabilmiştir. Bu şekilde elde edilen tokluk değerleri Tablo 3’te, grafik
gösterimleri ise Şekil 5, Şekil 6, Şekil 7 ve Şekil 8’de verilmektedir.
Tablo 3. Üretilen betonların enerji yutabilme kapasitesi değerleri
Karışım Lif
No
Tipi
0-0
I-40
II-40
I-80
II-80
I-120
II-120
0
I
II
I
II
I
II
Lif
İçeriği
(kg/m3)
0
40
40
80
80
120
120
Enerji
yutabilme
7 G basınç
(kg.cm/cm3)
1,124207
1,200685
0,933450
1,216733
1,941208
1,590546
3,043557
Enerji
yutabilme
28 G basınç
(kg.cm/cm3)
1,178235
1,181463
1,610009
1,287869
2,933717
2,450262
2,984366
Enerji
yutabilme
7 G eğilme
(kg.mm)
202,98
251,64
204,42
412,59
2796,47
2116,80
5642,48
Enerji
yutabilme
28 G eğilme
(kg.mm)
230,64
542,78
239,51
909,91
2251,02
1933,49
2243,56
300
bağıl enerji yutma kapasitesi (%)
dizayn 0-16; lif tipi I
dizayn 0-16; lif tipi II
200
100
0
0
40
lif dozajı (kg/m3)
80
120
Şekil 5. 7 günlük basınç deneyinden elde edilen enerji yutabilme değerleri
bağıl enerji yutma kapasitesi (%)
300
dizayn 0-16; lif tipi I
dizayn 0-16; lif tipi II
200
100
0
0
40
lif dozajı (kg/m3)
80
120
Şekil 6. 28 günlük basınç deneyinden elde edilen enerji yutabilme değerleri
bağıl enerji yutma kapasitesi (%)
3000
dizayn 0-16; lif tipi I
dizayn 0-16; lif tipi II
2000
1000
0
0
40
lif dozajı (kg/m3)
80
120
Şekil 7. 7 günlük eğilme deneyinden elde edilen enerji yutabilme değerleri
3000,00
dizayn 0-16; lif tipi I
bağıl enerji yutma kapasitesi (%)
dizayn 0-16; lif tipi II
2000,00
1000,00
0,00
0
40
3
80
120
lif dozajı (kg/m )
Şekil 8. 28 günlük eğilme deneyinden elde edilen enerji yutabilme değerleri
Sonuçlar
Deneylerden elde edilen sonuçlar aşağıda sunulmuştur:
•
Beklenildiği üzere betona katılan lif miktarının artmasıyla taze betonun çökme (slump)
değerlerinde ciddi azalmalar meydana gelmiştir. Örneğin, maksimum lif dozajına sahip
karışımlarda lifsiz karışımlara göre % 80 slump azalması görülmüştür.
•
Lif tipi ve lif içeriğinin beton basınç dayanımı üzerine önemli bir katkısı olmadığı
saptanmıştır.
•
Eğilme dayanımındaki en büyük artışlar her iki lif tipi için de 120 kg/m3 lif dozajında elde
edilmiştir.
•
II. lif tipinin dozaj artışının, eğilme dayanımlarındaki artışa etkisi I. lif tipine göre daha
yüksektir.
•
Lif katkısının eğilme dayanımına olumlu etkisi erken yaşlarda daha yüksek iken nihai
dayanımlara etkisi aynı yaştaki kontrol betonlarına göre daha azdır.
•
Lif tipi ve lif dozajının elastisite modülü değerleri üzerinde kayda değer bir etkisi
olmadığı belirlenmiştir.
•
Betonların özellikle enerji yutabilme kapasitelerini arttırmak için kullanılan liflerde, II. lif
tipi I. lif tipine göre daha büyük artışlar sağlamıştır.
•
II. lif tipi ile, 7 günlük basınç deneyi verilerine göre, 120 kg/m3 lif dozajında lifsiz
numunelere kıyasla % 270, 28. günde ise % 253’ye varan artışlar sağlanmıştır.
•
Eğilme deneyi sonuçlarına göre, 7 günlük numunelerde % 2780, 28 günlük numunelerde
% 973’lere kadar çıkabilen enerji yutabilme kapasitesi artışları yakalanmıştır.
Elde edilen deney sonuçları ışığında, çelik liflerin yüksek performanslı beton özelliklerine
önemli kazançlar sağladığı söylenebilir. Kullanılan çelik lifler betonun basınç gerilmesi
altındaki özelliklerine pek bir etki yapmazken, çekme ve eğilme dayanımlarına artışlar
getirmiştir. Yüksek performanslı betonda çelik lif kullanımıyla, bu çalışmanın birinci
derecede önemli amaçlarından biri olan süneklikte yüksek artışlar sağlandığı görülmüştür.
Yararlanılan Kaynaklar
ACI Committee 544.4R-85. (1988). “Design Considerations for Steel Fiber Reinforced
Concrete”, ACI Structural Journal, Vol.85, No 5.
ACI Committee 544.1R-96. (1996). “Fiber Reinforced Concrete”.
ACI No544 Committee Report. (1988). “Measurement of Properties of Fiber Reinforced
Concrete” Journal of Fiber Reinforced Concrete Institute, Vol:85, No:6, pp. 583-593.
Arslan, A., & Ulucan, Z.Ç. (1997). “Çelik Liflerin Erken Yaştaki Betonarme Kirişlerin
Göçmesine Etkisi”, İmo Teknik Dergi, s. 1505-1515.
ASTM C 1018/85. (1985). Annual Book of ASTM Standarts.
ASTM1116-C-91. (1991). Annual Book of ASTM Standarts.
Bentur, A., & Mindness, S. (1990). “Fibre Reinforced Cementitious Composites” Elsevier
Applied Science, London And Newyork.
Brandt A.M. (1982). “On The Calculation of Fracture Energy in SFRC Elements Subjected to
Bending”, International Conference on Bond in Concrete, edited by Bartos, Scotland, pp.
73-81.
Dramix Çelik Tel Donatılı Betonlar İçin Tasarım Esasları, Beksa A.Ş.
Gopalaratnam, V.S., Shah, S.P., Batson, G.P., Criswell, M.E., Ramakrishnan, V., &
Wecharatana, M. (1991). “Fracture Toughness of Fiber Reinforced Concrete”, ACI
Materials Journal, Vol:88, No:4, pp. 339-353.
Reinhard, H.W., & Naaman, A.E. (1991). “High Performance Fiber Reinforced Cement
Composites”, Proceedings of the International Workshop ’High Performance Fiber
Reinforced Cement Composites’ by RILEM, ACI, Stuttgart University and University of
Michigan.
Download

çelik lif kullanımının yüksek performanslı betonların süneklik