Farklı tip ve oranda kullanılan liflerin betonda rötreye etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different fibre types on the shrinkage of concrete
Yazar: KORAY MEHMET ARSLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Beton, günümüzde Dünya'da en çok tercih edilen yapı malzemesidir. Bileşenleri birçok bölgede doğadan kolaylıkla temin edilebilir. Konulduğu kalıbın şeklini alabilmesi betonun çoğu yapı malzemesine karşın üstün özelliğidir. Bu kadar yoğun kullanılmasına rağmen beton yapının servis ömrünü ve taşıyabileceği servis yüklerini doğrudan etkileyebilecek çatlaklar oluşabilmektedir. Yarı gevrek bir malzeme olan betonda çatlaklar çeşitli nedenle oluşabilir. Betonun çekme dayanımı zayıftır, şekil değiştirme kapasitesi sınırlıdır. Dolayısıyla enerji sönümlendirme yeteneği zayıf ve çatlaklara karşı dayanıksızdır. Tez çalışması kapsamında betonun ve harcın rötre kaynaklı çatlakları ve çatlak önleme yöntemlerinden lif katkıları araştırılmıştır. Kompozit bir yapı malzemesi olan betonda lif kullanımı ile ilgili çalışmalar çoğunlukla mekanik özellikler, özellikle de eğilme dayanımının gelişimi üzerinedir. Lif kullanımının çimento esaslı kompozitlerde rötreyi ne derece etkilediği üzerine yapılan çalışmalar sınırlıdır. Var olan çalışmalar ise tek tip lif kullanımı veya tek tip rötre tipi üzerine yoğunlaşmıştır.
Çimento esaslı kompozitlerde çatlak gelişimi 3 mertebede oluşmaktadır. Çatlak başlangıcı nano boyutta gerçekleşmekte sonrasında gelişerek mikro boyuta ilerlemekte ve nihayetinde de makro ölçekte gözle görülür yapısal hasar durumuna gelmektedir. Bu çatlak gelişimleri plastik rötre veya kuruma rötresi nedeniyle olabilmektedir. Bu tez çalışmasının odak noktası, plastik rötre ve kısıtlanmış rötre kaynaklı çatlakların önlenmesi, azaltılması veya geciktirilmesinin liflerle ne derece mümkün olduğunu deneysel olarak ortaya koymaktır. Lif katkılarıyla birlikte betonun temel parametrelerinin de ne ölçüde değiştiği ayrıca belirlemektir. Bu kapsamda, hangi deney yöntemlerinin kullanılabileceği, hangi çalışmalara eklemeler yapılabileceği literatür taramaları ve ön deneylerle belirlenmeye çalışılmıştır.
Ön çalışmalarda, plastik rötre etkilerinin kısıtlanmış rötreyle birlikte etki ettirilebilecek deney düzeneği, liflerin maksimum ve minumum ne oranda karıştırılabileceği, dolayısıyla lif katkı limitleri belirlenmeye çalışılmıştır. Üç ölçekte meydana gelen çatlaklara karşı üç ölçekte lif kullanımı tasarlanmıştır. Bunlardan nano mertebede çatlaklar için çok katmanlı karbon nano tüp (MWCNT) katkısı yalın çimento harcını lifli kompozit haline getirmiştir. Nano lif katkılı deneyler için iri agregalı beton numuneler yerine ince agrega kullanılan harç bazında numuneler üretilmiştir. Nano ölçekte yapılan lifli katkı müdahelesi direkt çimento hamurunu etkileyecek dolayısıyla bütün kompozitin karakterini değiştirebilecektir. Günümüzde nano teknoloji hızla gelişmekle birlikte halen yapı sektörü ve yapı malzemeleri açısından görece pahalıdır. Küçük hacimli numunelerde daha az katkı malzemesiyle çalışmak bu boyutta lif katkısını daha gerçekçi kılmaktadır.
Birkaç gram ağırlığındaki nano lifleri incelediğimizde birbirlerine dolanmış, topaklanmış yüzbinlerce lifi görebiliriz. Bir süredir yapılan çalışmalarda araştırmacılar nano liflerin çimento esaslı kompozitlere nasıl karıştırılabileceği üzerine değerlendirmeler yapmışlardır. En yaygın kabul gören yöntem ultrasonik homojenizatörlerle yapılan karıştırma işlemidir. Bu yönteme göre küçük bir kapta su ile karışmış olan nano liflerin içine ultrasonik ses dalgaları yayabilen ismine prop denilen bir uç daldırılır. Çok hızlı titreşen ve çok seri ultrasonik dalgalar liflere etkitilerek liflerin birbirlerinden mekanik olarak ayrıştırılması sağlanır. Çökelen lifler çok fazla beklenmeden harç karışımına eklendiğinde genellikle topaklanma sorunu ortadan kalkmaktadır. Bu yöntemin bazı sakıncaları ve eksiklikleri vardır, bunlar; hacimsel olarak maksimum 1 litre gibi çok küçük üretimlere imkân vermesi ve ayrıştırma işleminin yoğun mekaniksel işlemle yapılması, dolayısıyla liflerde kopma, çözülme gibi sorunlara yol açabilme ihtimalidir.
Karbon nano liflerin yüksek çekme dayanımı ve elastisite modülü gibi çok üstün mekanik özelliklere sahip oldukları bilinmektedir. Tez çalışmasında kullanılan nano lifler çok düşük oranlarda seçilmiştir ve bu lifler ya standart bir harç karıştırıcı ile ya da basit bir sıcaklık ayarlı titreştirici kullanılarak harç içerisinde dağılım sağlanmıştır. Ön deneylerle bulunan sonuçlara göre seçilen oranlar çimento ağırlığının %0,025'i, %0,0375'i ve %0,050'si şeklindedir. Taramalı elektron mikroskobu ile yapılan inceleme görüntülerine göre tez çalışmasında yapılan nano katkılı üretimlerde topaklanma sorunu gözlenmemiştir. Harç numunelerde ayrıca beton numunelerde de kullanılan mikro polipropilen lif katkılarının etkileri de araştırılmıştır. Mikro PP lifler harç numunelerde çimento ağırlığının %0,25'i, %0,50'si ve %1,0'i oranlarında seçilmiştir.
Kısıtlanmış rötre deneyleri için genellikle takip edilen yöntem ASTM C1581 standardıdır. Söz konusu standarda göre ortada çelikten bir halka vardır ve etrafına taze haldeyken yerleştirilen beton, su kaybı nedeniyle hacimsel olarak büzülmeye çalışacak ancak deney düzeneğinin ortasında bulunan rijit çelik nedeniyle büzülmesi kısıtlanacak ve nihayetinde iç gerilmeleri çekme dayanımı aşınca çatlayacaktır. Tez çalışmasında kullanılan harç numunelerinin agrega dane boyutları ASTM C1581 standardında tarif edilenin yaklaşık 1/4'ü mertebesindedir. Dolayısıyla harç numunelerde yapılacak kısıtlanmış rötre deneyleri için söz konusu standartta tarif edilen ölçülerin 1/4'ü ölçeğinde bir çelik kalıp imal edilmiştir. Ebatlardaki ölçeklendirme hariç geri kalan tüm prosedür standardın tarif ettiği şekilde uygulanmıştır.
ASTM C1581 standardı direkt kuruma rötresi kaynaklı kısıtlanmış rötre çatlaklarını araştırmaya imkân veren bir standarttır. Söz konusu standarda göre üretilen numunelerin kalınlığı 35 mm'dir ve betonun üzeri buharlaşmayı engelleme maksatlı parafinle kaplanmaktadır. Pratik kullanıma baktığımızda kuruma rötresi ve plastik rötre birlikte etki etmektedir. Beton taze haldeyken de rötre etkilerine maruz kalmaktadır. Tez çalışmasında kuruma rötresi kaynaklı kısıtlanmış rötre çatlakları yanında plastik rötre etkilerini de inceleyebileceğimiz ASTM C1581 yönteminin modifiye edilmiş hali olan yeni bir deney düzeneği de tertip edilmiştir. Modifiye yönteme göre üretilen betonlar 135 mm gibi daha geniş bir alana yayılmakta ancak yükseklikleri daha az olmaktadır. Bu geniş alana rüzgâr etki ettirilmekte ve yüzeydeki buharlaşma hızlandırılmaktadır.
Hem standart yöntem hem de modifiye yöntem için birbirine eş numuneler aynı anda üretilmiştir. Yani aynı harman karışımın bir kısmı standart yöntem için ayrılmış kalan kısmı ise modifiye deney yöntemi ve mekanik özellik deneyleri için kullanılmıştır. Beton numuneler için hiç lif katkısı içermeyen referans numunelerin yanında metreküpteki ağırlığına göre mikro PP lifler %0,25, %0,375, %0,50, %0,75, %1,0, %1,5, %2,0, %2,5 oranında, makro PP lifler %0,50, %0,75, %1,0, %1,5, %2,0, %3,0, %4,0 ve mikro ve makro PP liflerin birlikte hibrit şekilde kullanıldığı hibrit lifler %0,5 mic + %0,5 mac, %1,0 mic + %1,0 mac, %0,75 mic + %1,5 mac, %2,0 mic + %2,0 mac, %1,5 mic + %3,0 mac şeklindedir.
Kısıtlanmış rötre deneylerinin yanında tüm karışımlara ait serbest rötre ölçümleri de yapılmıştır. Herhangi bir kısıtlama olmayan serbest rötre numuneleri ölçüleri 40 x 40 x 160 mm ölçülerinde uçlarında metal pimler takılmış prizmatik geometrilidir. Mekanik özellikleri belirlemek amacıyla beton numunelerde ultrases geçiş hızı, elastisite modülü ve basınç dayanımı deneyleri için 100 mm çaplı 200 mm yükseklikli silindir, eğilme dayanımı ve kırılma enerjisi deneyleri için 70 x 70 x 280 mm ebatlı prizmatik numuneler hazırlanmıştır. Harç bazında mekanik özellik deneyleri için ise UPV, elastisite modülü ve basınç dayanımı için 50 mm çaplı 100 mm yükseklikli silindir numuneler, eğilme dayanımı ve kırılma enerjisi deneyleri için ise 40 x 40 x160 mm ebatlı prizmatik numuneler hazırlanmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre, mikro ve makro olarak her iki ölçekte de etkinlik yeteneği sayesinde hibrit kullanılan liflerin hem mekanik özellikler hem de rötre çatlaklarını önleme konusunda anlamlı üstünlüğü vardır. Lif kullanımı çimento esaslı kompozitlerde birçok anlamda iyileştirme sağlasa da özellikle yoğun PP kullanımı işlenebilirliği önemli ölçüde azaltmakta, basınç dayanımı ve elastisite modülü değerlerinde ise bir miktar azalmaya sebebiyet vermektedir.

Abstract:
Concrete is the most used building material in the construction industry. Its components can be easily obtained from nature in many regions. The superior feature of concrete compared to most other building materials is that it can take the shape of the mold in which it is placed. Despite being used so intensively, cracks may occur that can directly affect the service life of the concrete structure. Cracks in concrete, which is a semi-brittle material, can occur for a number of reasons. The tensile strength of concrete is weak and its strain capacity is limited. Therefore, its energy absorption ability is weak and it is vulnerable to cracks. Within the scope of the thesis, shrinkage cracking of concrete and mortar and fiber additives as crack prevention methods were investigated. Studies on the use of fibers in concrete, which is a composite building material, are mostly focused on the development of mechanical properties, especially flexural strength. Whereas, studies on the effects of fibers on the shrinkage of cement-based composites are limited and existing studies are focused on the use of a single type of fiber or a single type of shrinkage.
Crack development in cement-based composites occurs at three levels. Crack initiation occurs at the nanoscale, then develops further at the microscale and finally becomes structural damage at the macroscale. These crack developments can be due to plastic shrinkage or drying shrinkage. The focus of this thesis is to experimentally demonstrate to prevent, reduce or delay cracks caused by plastic shrinkage and restrained shrinkage with the application of fibers. Well-dispersed fibre reinforcement causes a bridging effect by controlling crack width at the microstructure level and restrains crack propagation, therefore reduces the brittleness of the composite. In addition, it is also necessary to determine the basic parameters of the concrete are changed by fiber additions. In this context, literature evaluations and preliminary tests were used to determine which experimental methods can be used.
In preliminary studies, an experimental setup was designed to effect plastic shrinkage effects along with restrained shrinkage. Trials have been made to determine the maximum and minimum ratios of fiber contributions. The addition of multilayered carbon nanotubes (MWCNT) for nanoscale cracks transformed the cement mortar to a nanocomposite. For the experiments of nanofibers, mortar samples with fine aggregates were prepared instead of coarse aggregates. The use of nanoscale fiber additives has a direct effect on the cement paste and may therefore change the character of the entire composite material. Although nanotechnology is developing rapidly today, it is still relatively expensive compared to the other building materials.
When a few grams of nanofibers observed with a microscope, it can be seen that hundreds of thousands of fibers that are tangled and clumped to each other. In the past, researchers have investigated how nanofibers can be mixed into cement-based composites. The most widely utilized method is using an ultrasonic homogenizer. In this method, a probe that can emit ultrasonic waves is immersed in the dissolition of nanofibers and water in a small container. Very rapid vibrating and serial ultrasonic waves are applied to the fibers, thus mechanically separating the fibers from each other. This method has some disadvantages and shortcomings, these are; it allows a very small volumetric production, such as a maximum of 1 liter, and the dispersion process is carried out with an intensive mechanical operation, which may lead to problems such as breaking or dissolving the fibers.
It is well known that carbon nanofibers have excellent mechanical properties, such as high tensile strength and high modulus of elasticity. The nanofibers used in this study were selected in very small quantities and dispersed in the mortar using either a standard mortar mixer or a simple temperature-controlled vibrator. According to the results of the preliminary tests, the selected ratioss are 0.025%, 0.0375% and 0.050% of the cement weight. According to the examination images taken with the scanning electron microscope, no flocculation problem was observed in the mortar samples. The effects of micro-polypropylene fiber additives, which are used in mortar and concrete samples, were also investigated. Micro PP fibers were selected at 0.25%, 0.50% and 1.0% of the cement weight in mortar samples.
The method generally followed for restrained shrinkage tests is the ASTM C1581 standard. According to this standard, there is a steel ring in the center. As the fresh concrete placed around this ring dries, it will try to shrink volumetrically due to water loss, but its strain capacity is restricted due to the rigid steel ring, and eventually it will crack when its internal stresses exceed its tensile strength. The aggregate grain sizes of the mortar samples used in this study are approximately 1/4 of those described in the ASTM C1581 standard. Therefore, a steel mold with a scale of 1/4 of the dimensions described in the standard was made for the shrinkage tests on the mortar samples. With the exception of the scaling of the dimensions, the entire procedure was applied as described in the standard.
The ASTM C1581 standard describes the investigation of restrained shrinkage cracks caused by direct drying shrinkage. The thickness of the samples produced according to the standard is 35 mm and the top of the concrete is covered with paraffin to prevent evaporation. In practical application, it is very difficult to distinguish between drying shrinkage and plastic shrinkage. Concrete is subject to shrinkage effects even when it is fresh. In this study, a new experimental setup, which is a modified version of the ASTM C1581 method, was developed to examine the effects of plastic shrinkage as well as restrained shrinkage cracks caused by drying shrinkage. Concretes produced according to the modified method were spread over a higher thickness of 135 mm and lower height. The wind acts on this large area and evaporation on the surface is accelerated.
Identical samples were produced simultaneously for both the standard method and the modified method. In other words, part of the same mixture was reserved for the standard method, while the remaining part was used for the modified test method and the mechanical tests. For concrete samples, in addition to reference samples containing no fiber additives, micro PP fibers were used as 0.25%, 0.375%, 0.50%, 0.75%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5% ratio by cement weight. Macro PP fibers 0.50%, 0.75%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 3.0%, 4.0% and hybrid of micro and macro PP fibers together used as 0.5% mic + 0.5% mac, 1.0% mic + 1.0% mac, 0.75% mic + 1.5% mac, 2.0% mic + 2.0% mac and 1.5% mic + 3.0% mac. In addition to the restrained shrinkage tests, free shrinkage measurements of all mixtures were also performed. The dimensions of free shrinkage samples are 40 x 40 x 160 mm and have a prismatic geometry with metal pins attached at the ends. In order to determine the mechanical properties, 100 mm diameter and 200 mm height cylinders were prepared for ultrasonic pulse velocity, modulus of elasticity and compressive strength tests in concrete samples. 70 x 70 x 280 mm prismatic samples were prepared for flexural strength and fracture energy tests. For mortar-based mechanical property tests, 50 mm diameter and 100 mm height cylindrical samples were prepared for UPV, modulus of elasticity and compressive strength. 40 x 40 x160 mm sized prismatic samples were prepared for flexural strength and fracture energy tests.
According to the results obtained, hybrid fibers have a significant advantage in terms of both mechanical properties and prevention of shrinkage cracks because of their ability to be effective at both micro and macro scales. Although the use of fibers provide many improvements in cement-based composites, especially the intensive use of PP significantly reduces workability and causes a slight decrease in compressive strength and elasticity modulus values. When looking at the compressive strength, UPV and elasticity modules results for mortar mixtures, it was observed that the values decreased slightly with the application of PP fibres, on the contrary the values increased slightly with MWCNTs application. 12% increase in compressive strength and 10% increase in modulus of elasticity were measured in the sample coded CNT 0.050, which represented the maximum achievement. The decrease can be explained by PP fibres exhibiting a lower density and elasticity modulus. Although MWCNTs have enormous density and mechanical properties, it had limited improvements on the compressive strength and elastic modulus values because of the chosen w/c ratio which is 0.5 in this study.