Yüksek fırın cürufu esaslı geopolimer betondan üretilen kirişlerin davranışının incelenmesi
Investigation of the behavior of beams made of blast furnace slag based geopolymer concrete
Yazar: MEHDİ ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. GÜRAY ARSLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Eğilme = Bending ; Eğilme davranışı = Bending behavior ; Eğilme dayanımı = Bending strength ; Kesme dayanımı = Shear strength ; Kesme kuvveti = Cutting force ; Kirişler = Beams ; Sürdürülebilir kentleşme = Sustainable urbanization ; Sürdürülebilirlik = Sustainability

Özet:
Geopolimer betonların, düşük karbon emisyonu nedeniyle inşaat sektörünün temel yapı taşı olan çimentolu betonun yerini alıp alamayacağı konusu, tartışılmaktadır. Üretimi esnasında yüksek miktarda karbondioksit salınımı yaparak biyosferi tehdit eden çimentonun yerine, tamamen atık malzemeleri bağlayıcı olarak kullanarak üretilen geopolimer beton, sürdürülebilirlik adına önemli bir adım olmuştur. Ancak henüz çok yeni bir malzeme olan geopolimer betonların üretim esasları henüz belirlenebilmiş değildir. Ayrıca geopolimer betonların donatılı bir yapı elemanında göstereceği yapısal davranışı ortaya koyan deneyler oldukça kısıtlıdır. Çalışma kapsamında, geopolimer beton üretim esaslarını belirleyebilmek amacıyla 6 farklı beton karışımı tasarlanmış ve bu karışımların basınç dayanımları ve kıvam koruma süreleri değerlendirilerek, en iyi tasarım belirlenmiştir. 65 MPa basınç dayanımı ve yaklaşık 90 dakika kıvam koruma süresi ile M6 karışımı, cüruf esaslı geopolimer betonlar için en iyi tasarım seçilmiştir. Bu karışım ile 12 adet geopolimer beton kiriş üretilmiştir. Kesme açıklığının etkili derinliğe oranı (a/d) 2.5, 3.5 ve 4.5 olarak belirlenen kirişlerde, etriyenin kırılma biçimlerine olan etkisini de gözlemleyebilmek için etriyesiz ve 20cm, 15 cm ve 10cm aralığa sahip etriyeli olacak şekilde tasarım yapılmıştır. Tek yönlü artan yük etkisinde Yer değiştirme kontrollü test edilen kirişlerde, etriyesiz ve a/d değeri 2.5 olan tüm elemanlar kesme kırılmasıyla güç tükenmesine ulaşmıştır. Etriyeli ve a/d değeri 3.5-4.5 olan tüm elemanlarda ise göçme modu eğilme olmuştur. Yük-yer değiştirme eğrileri incelendiğinde, tüm kirişlerin , etriye oranı ve a/d değeri arttıkça daha sünek bir davranış sergilediği görülmüştür.
Test edilen kirişlerdeki çatlak ve hasarlar epoksi enjeksiyon ve tamir harcı kullanılarak onarıldıktan sonra, kirişlerin göçme modları dikkate alınarak eğilme ve kesmede CFRP ile güçlendirilmiştir. Güçlendirilen kirişler, tekrar test edilmiş ve CFRP'nin geopolimer betonlu kirişlerin yük taşıma kapasitelerini  %22-82 arasında arttırdığı görülmüştür.
Test edilen kirişler için yapılan analitik çalışmalarda, literatürde bulunan eğilmede çekme bağıntıları ve nominal eğilme momentleri karşılaştırılmıştır. Ahmet ve Shah [96]'ın önerdiği çekme dayanımı ile hesaplanmış eğilmedeki çatlama momentlerinin, deneysel sonuçlara en yakın değerleri verdiği görülmüştür. Ayrıca ACI318-19[52] ve TS500[87]'de önerilmiş nominal eğilme momenti bağıntılarının her ikisinin de deneysel değerlerin altında tahmin verdiği görülmüştür. Göçme modu kesme olan kirişler için ise bir kesme mukavemeti bağıntısı önerilmiş ve literatürdeki mevcut bağıntılar ile karşılaştırılmıştır. Literatürden alınan 31 geopolimer kirişin deneysel verileri kullanılarak yapılan karşılaştırmalara göre, önerilen bağıntının 0.314 varyasyon katsayısı değeriyle diğer bağıntılar arasında daha tutarlı olduğu görülmüştür.

Abstract:
It is being discussed whether geopolymer concretes can replace cementitious concretes which is the warp and woof the construction industry, due to its low carbon emission. Geopolymer concrete, which is produced using completely waste materials as binders, instead of cement, which threatens the biosphere by emitting high amounts of carbon dioxide during its production, has been an important step in terms of sustainability. However, the production principles of geopolymer concrete, which is a very new material, haven't yet been determined. In addition, experiments revealing the structural behavior of geopolymer concretes in a RC element are very limited. Within the scope of the study, 6 different concrete mixtures were designed in order to determine the production principles of geopolymer concrete and the best design was determined by evaluating the compressive strength and consistency preservation time of these mixtures. With a compressive strength of 65 MPa and a consistency preservation time of approximately 90 minutes, the M6 mixture was chosen as the best design for slag-based geopolymer concretes. With this mixture, 12 geopolymer concrete beams were made. In the beams, the ratio of shear span to depth ratio (a/d) was determined as 2.5, 3.5 and 4.5, in order to observe the effect of stirrups on failure patterns, they were designed without stirrups and with stirrups with 20 cm, 15 cm and 10 cm spacing. In the beams tested with displacement control under the effect of monotonic increasing load, all beams without stirrups and with an a/d value of 2.5 failure by shear. In all beams with stirrups and a/d value of 3.5-4.5, the failure modulus was bending. When the load-displacement curves are examined, it is seen that all beams exhibit a more ductile behavior as the stirrup ratio and a/d value increase.
After the damages in the tested beams were repaired using epoxy injection and repair mortar, the beams were strengthened with CFRP in flexure and shear considering the failure modes of the beams. The beams were retested and it was found that CFRP increased the load carrying capacities of geopolymer concrete beams by 22-82%. 
In the analytical studies for the tested beams, the flexural tensile estimates (fr)  and the nominal flexural moments (Mn)  available in the literature were compared. It was seen that the cracking moments in flexure (Mcr), calculated with the tensile strength suggested by Ahmet and Shah [96] gave the closest values to the experimental results. In addition, it has been observed that both of the flexural moment estimates suggested in ACI318-19[52] and TS500[87] give below the experimental values. For beams whose failure mode is shear, a shear strength equaiton (vn) is proposed and compared with the existing equations in the literature. According to the comparisons made using the experimental data of 31 geopolymer beams taken from the literature, it was seen that the proposed equation was more consistent with the coefficient of variation of 0.314 among the other equations.