Çevrimsel eğilme yüklemeleri altında çimento bağlayıcılı kompozitlerin kendiliğinden algılama kabiliyetinin değerlendirilmesi
Assessment of self-sensing capability of engineered cementitious composites within the elastic and plastic ranges of cyclic flexural loading
Yazar: OĞUZHAN ÖCAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Tasarlanmış çimento esaslı kompozitler (Engineered Cementitious Composites, ECC) yapı malzemeleri alanında mekanik ve dürabilite özellikleri açısından son yıllarda oldukça öne çıkmaktadır. ECC malzemesinin üstün mekanik ve dayanıklılık özellikleri yapısal uygulamalarda bu tür malzemelerin tercih edilmesi kolaylaştırmaktadır. Son yıllarda ECC malzemesinin oldukça yaygınlaşması bu malzemenin aynı zamanda yapısal sağlık izlemesini de gerektirmektedir. Bu nedenle tez çalışması, farklı tür karbon esaslı malzemeler (karbon nanotüp-KNT, nano grafen partikülleri-NGP, karbon siyahı-KS ve karbon lif-KL) ile üretilmiş ECC malzemesinin kendiliğinden algılama kabiliyetini elastik ve plastik şekil değiştirme bölgeleri içerisinde tekrarlı yükleme boşaltma döngüleri ile incelemiştir. Deneyler, kiriş numuneler üzerinde dört noktalı eğilme yükleri altında yüklenmiş ve daha sonra yüklemenin kaldırılması şeklinde çevrimsel olarak uygulanmıştır. Elastik şekil değiştirme bölgesi içerisinde nihai gerilme dayanımının %30'unun uygulanmasına karar verilmiştir. Plastik şekil değiştirme bölgesinde ise kiriş numunelerin nihai eğilme dayanımlarının %70'ine kadar yüksek seviyelerde tekrarlı yükleme yapılmıştır. Deney sonuçları, her ne kadar elastik şekil değiştirme bölgesinde yüklemenin boşaltılması durumunda (kiriş üzerindeki yükün kaldırılması) tam olarak kendiliğinden algılama kabiliyeti göstermese de, yükleme ile uygulanan hasarlar hem elastik hem de plastik şekil değiştirme bölgesinde başarılı bir şekilde kendiliğinden algılama kabiliyeti ile test edilmiştir. Deney sonuçları incelendiğinde, elde edilen sonuçların muhtemel nedeninin karbon esaslı malzemelerin sürekli olarak içsel elektriksel dirençlerinin artması olduğu tespit edilmiştir. Uygulanan hasarın çok küçük olduğu düşünüldüğünde daha önce elektriksel dirençleri artış içerisinde olan karbon esaslı malzemelerin yüklemenin kalkması ile birlikte kiriş kompozitlerin içerisinde tam olarak deşarj olamadıkları kanısına varılmıştır. Diğer karbon esaslı malzemelere kıyasla, elastik ve plastik şekil değiştirme bölgelerinde tekrarlı yükler altında kendiliğinden algılayan ECC (Tasarlanmış Çimento Esaslı Kompozitler, Engineered Cementitious Composites) malzemesinin üretiminde en etkili karbon esaslı malzemenin karbon lif olduğu düşünülmektedir. ECC malzemesinin daha önce kanıtlanmış üstün dayanıklılık ve mekanik özelliklerinin kendiliğinden algılama davranışı ile bütünleştirilmesi sürdürülebilir yapı/altyapıların inşa edilmesinde büyük faydalar sağlayacaktır.

Abstract:
Engineered Cementitious Composites (ECC) are recently emerging construction materials in terms of mechanical and durability characteristics. Outstanding mechanical and durability properties make the material an attractive choice for different infrastructure types. But the increased utilization of ECCs brings about the necessity to monitor the health of the structures that use them. This thesis therefore investigated on the self-sensing capability of ECC with different carbon-based materials (multi-walled carbon nanotubes [CNT], graphene nanoplatelets [GNP], carbon black [CB] and carbon fibers [CF]) when exposed to repetitive loading and unloading cycles within the elastic and plastic ranges. Tests were carried out on beam specimens as a loaded/unloaded cyclic configuration under four-point bending loading. Within the elastic deformation range, 30% of the ultimate flexural strength was determined for the application on the tested specimens. For the plastic deformation range, prismatic specimens fabricated for cyclic flexural loading at high levels were loaded up to 70% of their ultimate flexural strength. Experimental findings exhibited that for all ECC mixtures, self-sensing of operated damage (i.e. loading) was successful for both elastic and plastic ranges, although the self-sensing of load removal (i.e. unloading) in the elastic range was not achieved as successfully. This was most probably due to very small operated damage and continuously rising intrinsic electrical resistivity of individual carbon based materials under loading, which cannot be discharged in the case of unloading. Compared to other carbon-based materials, utilization of CF during ECC production was the most effective method for self-sensing capability of cyclic loading and unloading in the elastic and plastic deformation ranges. Improving the afore-proven superior mechanical and durability properties of ECC materials with self-sensing behavior will multiply the advantages for truly sustainable infrastructures.