Effect of different types of fibers to concrete's mechanical behaviour
Farklı tipteki liflerin betonun mekanik davranışına etkisi
Yazar: MERTCAN SARI
Danışman: PROF. DR. YILMAZ AKKAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Lif takviyeli beton = Fiber reinforce concrete ; Yüksek performanslı beton = High performance concrete

Özet:
Beton uzun yıllardan beri en sık kullanılan yapı malzemesidir. Betonun yaygın kullanım alanı araştırmacıları beton üzerinde daha çok gelişime sevk etmiştir. 20-30 yıl öncesine kadar uygulamalarda basınç dayanımı 40 MPa düzeyini geçemeyen beton, günümüzde yüksek dayanım ve dayanıklılığı ile karşımıza çıkmaktadır.
Günümüzde pek çok mega yapıda (Yüksek bina, köprü, tünel, vb.) artık yüksek performanslı betonlar kullanılmaya başlanmıştır. Normal betonların, yüksek dayanımlı ve dayanıklı betonların en büyük kusuru gevrek bir mekanik davranış sergilemeleridir. Gevrek davranış, betonun basınç dayanımı ne kadar yüksek olursa olsun betonun enerji yutma kapasitesini hep düşük seviyede tutar. Yüksek performanslı betonların tek zaafı gevreklik değil, yangın durumunda iyi performans sergileyememesidir.
İlerleyen beton teknolojisi betonu mükemmeliğe taşıyan bir çözüm olan lif donatılı betonu geliştirmiştir. Betona katılacak lifler, betonu gevreklik zaafından kurtarıp sünekliğe taşımakla kalmamış, aynı zamanda basınç dayanımına ve betonun durabilitesine katkı sağlamıştır. 
Bu tez kapsamında yapılan çalışmalarda 4 farklı lif ile 5 farklı karışım üretilmiştir. Bütün karışımlar için standart basınç ve elastisite modulü deneyleri için 150 mm çapında ve 300 mm yüksekliğinde silindir numuneler üretilmiştir. Yarma çekme deneyleri için 150 mm çapında ve 300 mm yüksekliğindeki silindir numuneler 2 ye kesilerek 150 mm çapında 150 mm yüksekliğinde numuneler hazırlanmıştır. Kırılma enerjisi ve eğilme dayanımlarını belirlemek için üç noktalı eğilme deneyi uygulanmak üzere 600 mm uzunluğunda 150x150 mm kesite sahip kiriş numuneler üretilmiştir. Üç noktalı eğilme deneyinde kiriş numuneler üzerinde sehim ve çatlak ağzı açılma deplasman değerleri ölçülmüştür. Sehim değerleri Lvdt, çatlak ağzı açılma deplasmanları ise Çatlak ağzı açılma deplasmanı ölçer ile ölçülmüştür.
Farklı oranlarda ve özellikte lif içeren betonların basınç dayanımları, elastisite modülleri, yarma çekme dayanımları, kırılma enerjileri ve eğilme dayanımları hesaplanarak yalın betonlarla kıyaslandı. Ayrıca eğilme deneylerindeki çatlak ağzı açılma deplasmanı ile sehim arasındaki korelasyon kurulup, EN 14651 standartı ile kıyaslanarak deneylerin doğruluğu kontrol edilmiştir.
Deneyler sonucunda elde edilen değerler Alman Beton Birliği Yöntemi nde belirtilen kullanılabilirlik ve taşıma gücü sınır durumu değerlerine göre hesaplandı ve karışımların ABBY ne göre mekanik davranış ve özellikleri değerlendirildi.
Çelik lif kullanılarak üretilen betonların kırılma enerjileri ve eğilme dayanımlarının hacimce aynı oranda kullanılan iki farklı makro sentetik ve bazalt lifli betonlara 
kıyasla daha yüksek değerler aldığı belirlenmiştir. Çelik lif oranının artması ile betonun tüm mekanik özelliklerinde iyileşme görülmüştür. Makrosentetik liflerin ise numunelerde ayrı ayrı kullanılmasının kırılma enerjisine ve eğilme dayanımına etkisi aynı seviyelerde olmuştur.
Sonuçların Alman Beton Birliği? ne göre değerlendirilmesi sonucunda bazalt lifli ve yalın betonların taşıma gücü sınır durumu için öngörülen sehim değerlerine erişemediği gözlenmiştir. Makrosentetik liflerde kullanılabilirlik sınır durumundaki eş değer eğilme dayanımlarının taşıma gücü sınır durumundaki eş değer eğilme dayanımlarından daha yüksek değerler aldığı belirlenmiştir. Çelik lifli betonlarda ise makro sentetik liflerin tersine kullanılabilir sınır durumundaki eş değer eğilme dayanımları, taşıma gücü sınır durumundaki eş değer eğilme dayanımlarına göre daha düşük değerler almıştır.

Abstract:
As a building material concrete has been used frequently. Because of this too many research has been made for years. 20-30 years before concrete?s maximum compressive strength was about 40 MPa but today high strength and high performance concretes are used in structural applications. 
High-performance concrete exceeds the properties and constructability of normal concrete. Normal and special materials are used to make these specially designed concretes that must meet a combination of performance requirements. Special mixing, placing, and curing practices may be needed to produce and handle high-performance concrete. Extensive performance tests are usually required to demonstrate compliance with specific project. High-performance concrete has been primarily used in tunnels, bridges, and tall buildings for its strength, durability, and high modulus of elasticity. It has also been used in shotcrete repair, poles, parking garages, and agricultural applications.
High-performance concrete characteristics are developed for particular applications and environments; some of the properties that may be required include high strength, high modulus of elasticity, high abrasion resistance, high durability and long life in severe environments, low permeability and diffusion, resistance to chemical attack, high resistance to frost and deicer scaling damage, toughness and impact resistance, volume stability, ease of placement, compaction without segregation, inhibition of bacterial and mold growth.
Fiber reinforced concrete which has better mechanical properties was found out with the developments in concrete technology. The fibers not only makes concrete ductile but also have positive effect on compresive strength and durability.
Fibers are usually used in concrete to control cracking due to plastic shrinkage and to drying shrinkage. They also reduce the permeability of concrete and thus reduce bleeding of water. Some types of fibers produce greater impact, abrasion, and shatter resistance in concrete. Generally fibers increase the flexural strength of concrete, but cannot replace structural steel reinforcement. 
The amount of fibers added to a concrete mix is expressed as a percentage of the total volume of the composite (concrete and fibers), termed "volume fraction" (Vf). Vf typically ranges from 0.1 to 3%. The aspect ratio (l/d) is calculated by dividing fiber length by its diameter. Fibers with a non-circular cross section use an equivalent diameter for the calculation of aspect ratio. If the fiber's modulus of elasticity is higher than the matrix (concrete or mortar binder), they help to carry the load by increasing the tensile strength of the material. Increasing the aspect ratio of the fiber usually segments the flexural strength and toughness of the matrix. However, fibers that are too long tend to "ball" in the mix and create workability problems.
The most common used fibers in high performance concretes are steel, polymeric and glass fibers. The addition of fibers significantly improves many of the mechanical properties of concrete, especially toughness. The performance of fibre reinforced concrete compared to its unreinforced counterpart comes from its improved capacity to absorb energy during fracture. The risk of spalling can be reduced by the addition of fibers to the concrete. Under fire conditions the fibers will melt, but it has been suggested that they form voids or micro-cracks in the concrete which effectively relieve the pressure from the expanding steam and moisture mixture.
Steel fibers can improve structural strength, ductility, impact and abrasion resistance, freeze-thaw resistance, durability. There are many types of steel fibers. Long fibers are needed to bridge discrete macrocracks at higher loads; however the volume fraction of long fibers can be much smaller than the volume fraction of short fibers. Also the presence of long fibers significantly reduces the workability of the mixture.
Synthetic fibers can improve; mix cohesion, freeze-thaw resistance, resistance spalling, impact resistance, resistance to plastic shrinkage. At the higher dosage levels the macro synthetic fibers are designed to perform post-first crack relative to externally applied loads. Macrosynthetic fibers can be used to provide the concrete with significant post cracking capacity and hence can be used in some designs based on plastic analysis, such as for ground supported slabs and for rock support using sprayed concrete. It is important to avoid the use of macro synthetic fibers to provide structural capacity which may be lost in the event of fire. When subjected to fire, macro fibers will soften as the temperature rises. They will lose their mechanical properties and will no longer provide structural capacity. 
Fiber reinforced concretes can be used for thin sheets, shingles, roof tiles, pipes, prefabricated shapes, shotcrete, curtain walls, slabs, vaults, impact resisting structures.
The main objective of the research is to find out the mechanical behaviour of concretes containing steel, basalt and two types of macrosynthetic fibers. Concrete mixes have same water / cement ratio and same fiber volume fraction except one of the steel reinforced concrete. There are two different concretes with two different steel fiber volume fraction. One of them is the same fiber volume fraction as the basalt and macrosythetic fibers, the other mix has includes steel fiber approximately half value as the other fiber volume fraction.
For both the modulus of elastisity and the standard compressive tests cylinders of 150 mm indiameter and 300 mm height were produced for all mixtures.Also cylinder specimens were used for the splitting tensile test.Disc specimens sizes were 150 mm in diameter and 150 mm in height. Beams prepared for thefracture energy tests were 600 mm in length and150 mm x 150 mm in cross section.
Concretes which  include different types of fibers  are compared with each other after determining the compressive strength, elasticity modulus, splitting tensile test results, fracture energy and bending strength results.
The fracture energy and bending strength are also compared with the fiber reinforced concrete method of German Concrete Institute. Fracture energy of plain concrete (matrix) increased up to 10 times owing to the addition of steel fibers. 
Fracture energy of concrete with macrosynthetic fibers also increased up to 4 times owing to the addition of steel fibers.
Basalt fiber reinforced concrete?s fracture energy doesn?t alter according to plain concrete.
The steel fiber reinforced conretes show a behavior of enhanced toughness and ductility when compared to the matrix however the net bending strength was not affected. Compressive strength and elasticity modulus of the specimens were not affected with the addition of fibers.