Cam ve Çelik Liflerin Betona Etkisi

Günümüzde betonun mekanik özelliklerini iyileştirmek için cam, çelik, polipropilen gibi liflerin betona katılması giderek yaygınlaşmaktadır. Ancak her lifin kendine ait yapısı ve geometrisi betona olan etkilerini farklılaştırmaktadır. Bu yüzden farklı liflerin aynı betonda farklı oranlarda kullanımı betonun iyileşmesini daha olumlu yönde etkileyebiliyor.

Beton inşaat ve yapı mühendisliğinde en çok kullanılan malzemelerden biridir. Kompleks, rastgele dağılmış agregalardan oluşur ve gözenekli bir yapı malzemesidir. Bu yüzden betonun iyileştirilmesi gün geçtikçe daha çok ön plana çıkmaktadır. İyileştirme çalışmaları için kullanılan liflerin betona katılması; betonun çekme ve eğilme dayanımını, enerji tüketme kapasitesini, çatlak gelişim karakteristiğini geliştirmek ve oyulma direncini arttırmak için kullanılan en yaygın yöntemdir.

1.BETON

Beton, çakıl kum gibi “agrega” denilen maddelerin bir bağlayıcı madde ve su ile birleştirilmesinden meydana gelen inşaat yapıtaşıdır. Bağlayıcı madde de genellikle çimentodur. Beton günümüzde özellikle ülkemizde en yaygın kullanılan yapı malzemesidir. Ekonomik, dayanımlı ve uzun süre kullanılabilme özelliğinden dolayı tercih edilir. Gerek modern tasarımları uygulamada gerekse istenilen sağlamlığa ulaşma açısından vazgeçilmez bir malzemedir. Günümüzde başta çok katlı yapılar olmak üzere baraj, su yapıları, tünel, köprü gibi çeşitli yapılarda ana eleman olarak kullanılmaktadır. Dünya ortalaması yıllık kişi başına üretilen beton 1 ton civarındadır.

1824 yılında Joseph Aspdin tarafından Portland çimentosunun patenti alınmasıyla beton yapıların önü açılmıştır. 1801 yılında Francois Coignet betonun çekmedeki zayıflığından bahseden ilk makalesi yayımlanmıştır. Beton ile çeliğin kullanılmasıyla ilk betonarme yapı 1852 yılında Francois Coignet tarafından yapılmıştır. Beton ve çeliğin eğilme halinde bir arada kullanılması fikrini ortaya ilk atan kişi ABD’li T. Hyatt olmuştur. Hyatt, 1850’lerden itibaren betonarme üzerinde sürdürdüğü çalışmalarını 1877 yılında yayımlamış, Avrupa’da bu alanda yapılan birçok çalışmanın sonuçlarının yayınlanması izlemiştir.

Betonun çeşitli yapılarda başlıca kullanılma nedeni sertleştikten sonraki basınç dayanımıdır. Çok katlı yapıların yapılmasından dolayı beton dayanımın arttırılması düşünülmüş ve bu konuda çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Betonun sıkılaştırmanın yerleştirme sırasında betonun dayanımı arttırdığını kanıtlamış ve böylece yapılarda kullanılan betonların dayanımı arttırılabilmiştir. Özellikle süper akışkanlaştırıcı katkı maddelerinin kullanılmasıyla yoğun malzemeli beton malzemesinin akışkanlık problemi giderilmiş ve daha yüksek dayanımlı betonlar elde edilmiştir. Yüksek dayanımlı beton elde edilerek basınç dayanımları 200-800 MPa, çekme dayanımları 25-150 MPa arasında değişen yüksek performanslı betonlar elde edilmiştir.

Modern inşaat mühendisliğinde sınıflandırma için sadece basınç dayanımı yeterli olmamaktadır. Sınıflandırma dayanımla birlikte dayanıklılık (durabilite) kriterinin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir çünkü betonun basınç dayanımı yüksek olmasına rağmen çok düşük bir çekme mukavemetine ve orta seviyede bir kesme dayanımına sahiptir. Betonun kesme dayanımı basınç dayanımının %35-%80’i, çekme dayanımı ise basınç dayanımının %10’u civarındadır. Gevrek (kırılgan) bir malzeme olan betonun süneklik özelliği zayıftır. Çeşitli koşullara bağlı olarak büzülme ve sünme meydana gelmektedir.

Çekme dayanımı düşük olan betonlarda, özellikle dinamik yükler, çatlak oluşumuna ve pek çok çatlağın yayılmasına neden olur. Oluşan çatlaklar tekrarlı yükler altında daha büyük çatlaklara dönüşür ve ani kırılmalar görülebilir. Betonun süneklik özelliğindeki zayıflıkları iyileştirmek için uygulamada çelik donatılar ve lifler kullanılmaktadır. Ancak çelik donatılar mikro çatlaklara müdahale edemez ve makro çatlaklarda etkili olurlar.

Bu da betonun çatlama dayanımı ve tokluk özelliklerini iyileştirme için en iyi yöntemin lifler olduğunu göstermektedir.

Betonda takviye amacı ile kullanılan, değişik şekil ve büyüklükte olan lifler genel olarak cam, çelik, polipropilen ve organik polimerlerden üretilmektedir.

1.1. Betonun Genel Özellikleri

1.1.1 Basınç Dayanımı

Betonun mekanik dayanımları arasında en çok inceleneni, bir o kadar da en önemlisi basınç dayanımıdır. Bunun nedenlerini şöyle sıralayabiliriz:

1.Beton gevrek bir malzemedir, basit mukavemet değerleri arasında en yüksek olanı basınç, en düşük olanı çekmedir. Bu ikisinin oranı %8 ile %14 arasındadır. Pratik olarak betonun hiç çekme gerilmesi almadığı, hemen çatladığı varsayılır ve beton sadece basınca çalıştırılır.

2.Basınç dayanımı betonun tüm pozitif nitelikleriyle paralellik gösterir. Yüksek basınç dayanımlı beton doludur, serttir, su geçirmez, dış etkilere dayanır, aşınmaz. Şu halde basınç dayanımını saptamakla betonun niteliği hakkında global bir değerlendirme yapılabilir.

3.Basınç dayanımı deneyi diğer denetleme deneylerine oranla en kolayıdır.

1.1.2 İşlenebilme Özelliği

İşlenebilme kavramı içinde minimum enerji, homojenliğin korunması, boşluksuz yerleşme ve kıvam kavramları yatmaktadır.

İşlenebilir bir betonun niteliklerinin başında kohezyon gelir. Kohezyonlu taze beton içindeki iri agrega tanelerinin karışma, taşıma ve yerleşme sıralarında kütleden ayrılıp, saçılmalarına müsaade etmez. İri tanelerin bu ayrılma olayına segregasyon denir.

1.1.3 Betonun Dış Ortam Etkilerine Dayanıklılığı-Durabilite

Dış ortam sertleşmiş betonu fiziksel ve kimyasal yönden hasara uğratır. Fiziksel etkenler arasında donma-çözülmeyi, ard arda oluşan ıslanma ve kurumayı, trafik araçlarının, kum fırtınalarının, deniz, göl ve ırmaklarda meydana gelen dalgaların yaptığı aşınmayı sayabiliriz.

Hemen hemen tüm durabilite problemlerinde ilk çare boşluk oranı düşük dolu bir beton üretebilmektir.

2.LİFLER

2.1 Lifli Beton

Bir malzemenin lif olarak tanımlanabilmesi için, boy/çap oranının en az 10 olması (l/d >10), lifin en büyük genişliğinin 0.25 mm ’den ve en büyük kesit alanının da 0.05 mm2 ’den daha küçük olması gibi sınırlamalar getirilmektedir. Lif boyunun, lifin kesit alanı kadar alanı olan bir dairenin çapı olarak tanımlanan “eşdeğer lif çapına” bölünmesiyle bulunan lif narinlik oranın, beton malzemede, boyları 0.60 ile 7.62 cm arasında değişen lifler için tipik değeri 30 ile 150 arasında verilmektedir.

İnşaat Mühendisliği alanında, sağladığı avantajlar bakımından lifli betonların önemi hızla artmaktadır. Lifli beton; Çimento, agrega ve çoğunlukla süreksiz dağılı liflerin su ile karıştırılmasıyla meydana gelen beton olarak tanımlanmaktadır.

Beton içerisinde yaygın olarak kullanılan lifler; çelik, polipropilen, karbon ve alkali dirençli cam liflerdir. Lifli betonlarda, bütün lif çeşitlerinde sağlanması gereken en önemli özellik liflerin beton içerisinde homojen olarak dağılması ve bu dağılımın beton karıştırıldıktan sonra da bozulmamasıdır. Üniform bir şekilde dağılan lifler, beton içerisinde oluşan çatlakları önlemekte ve çatlakların beton içerisinde ilerlemesini yavaşlatarak betonu daha dayanıklı hale getirdiği bilinmektedir. Bu özelliğinden dolayı lifli betonun özellikle çekme ve eğilme dayanımını artıran faktörler darbe etkisine karşı dayanımını da artırırlar.

Bu nedenle betonarme kazık, yol ve hava alanları, su boruları, genel olarak büyük fabrika inşaatlarının döşeme betonlarında ve prefabrike yapı elemanları üretiminde lifli betonların tercih edilmeleri halinde daha iyi sonuçlar alınacağı bilinmektedir.

Genel olarak lifler şu sınıflara ayrılırlar:

1. Metalik lifler
2. Polimerik lifler
3. Mineral lifler
4. Doğal elde edilen lifler

Metalik lifler ya çelik ya da paslanmaz çelikten yapılırlar. Polimerik lifler akrilik, aromid, naylon, polyester , polietilen ve polipropilen lifleri kapsar. Cam lifler en çok kullanılan mineral liflerdir. Ağaç (selülozik), akwara, hint kamışı, hindistan cevizi, keten ve bitkisel lifler, jut, kenevir, şeker kamışı posası  gibi organik ve inorganik doğal elde edilen liflerin değişik tipleri, çimento matrisinin güçlendirilmesinde kullanılmaya başlanmıştır.

 2.1.1 Liflerin Teknik Özellikleri

2.2 Cam lifler

Üniform bir şekilde dağılan lifler, beton içerisinde oluşan çatlakları önlemekte ve çatlakların beton içerisinde ilerlemesini yavaşlatarak betonu daha dayanıklı hale getirdiği bilinmektedir. Her bir lif türünün kendine özgü mekanik ve boyut özelliği vardır. Bundan dolayı kullanılacak alana göre lif çeşidi seçilebilir. Liflerin ince üretimi ile büyük kütle yapılarına kıyasla daha az yapısal kusura sahiptirler. Bu nedenle, aynı maddenin elyaf biçimi üstün mekanik özelliklere sahiptir. Lifler genel olarak doğal ve yapay olmak üzere ikiye ayrılırlar (Bölükbaş 2011).

Cam lif takviyeli beton doğadan elde edilen ve çok az işlem gören bu elyaflar ekonomiktir ve kolaylıkla elde edilebilir oldukları için tercih edilirler. Lif takviyeli kompozitleri yapmak için kullanılan en eski doğal elyaf samandır. Yapay lifler doğal hammaddelerin çeşitli işlemler ile lif haline dönüştürülmesi ile üretilmektedir. Cam liflerin çekme mukavemeti çok yüksektir bu nedenle betonun zayıf olan çekme dayanımını artırırlar.

2.3 Çelik Lifler

Çelik lif donatılı beton, agrega, çimento ve su gibi temel beton bileşenlerine, mineral ve/veya kimyasal katkıların yanı sıra çelik lif katılmasıyla elde edilen kompozit bir malzemedir. Çelik lifler yalın betonların ve betonarme elemanların performanslarının iyileştirilmesi için kullanılır.

6.4 Cam ve Çelik Liflerin Beton Özelliklerine Etkisi

Betonun mekanik özelliklerini iyileştirmek için çelik, polipropilen ve cam liflerin betona katılması giderek yaygınlaşmaktadır. Ancak liflerin geometrisi, narinliği ve boyları liflerin betona etkilerini farklı şekillerde etkilemektedir. Farklı türdeki liflerin belirli oranlarda birlikte kullanımı, daha olumlu ve çok yönlü bir iyileştirmeye olanak sağlayabilir. Bu çalışmada, uçucu kül ve çelik lif ile üretilen betona 0.5, 0.75, 1.0, 1.25 kg/m3 cam lif katılarak, betonun basınç ve çekme dayanımındaki değişimler araştırılmıştır. Cam liflerin, basınç ve çekme dayanımına olumlu yönde etkide bulunduğu saptanmıştır.

1. Cam lifi oranına bağlı olarak taze betonun işlenebilirliğini azaltmaktadır.
2. Uçucu külün, betonun basınç dayanımını referans betonuna göre düşürdüğü gözlenmiştir.
3. SA katkı maddesinin betonun 3 günlük dayanım değerlerini arttırdığı saptanmıştır.
4. Lif katkılı betonların 3 günlük basınç dayanım artışı, referans ve uçucu küllü betonlara göre düşük değerlerde gerçekleşmiştir. Ancak 7 ve 28 günlük dayanımlarda artış sağladığı görülmüştür.
5. Cam lifin, çelik lifle kullanılması durumunda beton basınç ve yarmada çekme dayanımına olumlu katkı sağladığı söylenebilir.
6. Üretilen betonlardan CC 3, en yüksek basınç (42 MPa) ve yarmada çekme (5.4 MPa) dayanımlarını vermiştir.

KAYNAKÇA

1. Alkan, G., ‘‘Polipropilen Lifli Betonların Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi’’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yapı Anabilim Dalı, İstanbul, (2004)
2. Doğangün, A., Betonarme Yapıların Hesap ve Tasarımı, İstanbul: Birsen, 67-68, (2009).
3. Aral, M., ‘‘Karma Lif İçeren Çimento Esaslı Kompozitlerin Mekanik DavranışıBir Optimum Tasarımı’’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yapı Anabilim Dalı, İstanbul, (2006).
4. ACI Commitee 544,” State of The Art-Report On The Physical Properties and Durability of Fiber-Reinforced Concrete” Concrete International March,
5. Karahan O., ‘‘ Liflerle Güçlendirilmiş Uçucu Küllü Betonların Özellikleri’’, Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Adana,
6. Kurt G., (2006), Lif içeriği ve su/çimento oranının fibrobetonun mekanik davranışına etkileri, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
7. Yaprak H., Şimşek O., Aydın Ö., (2004), Cam ve çelik liflerin bazı beton özelliklerine etkisi, Politeknik Dergisi, 7(4)