Sentetik fiber donatılı püskürtme beton uygulamasında fiber donatı narinlik oranının betonun tokluk indeksine etkisi
Effect of fiber aspect ratio on toughness class in synthetic fiber reinforced shotcrete application
Yazar: LÜHAN ARDA BAYRAKTAROĞLU
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT ATİLLA ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Maden Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining
Dizin: Lifler = Fibers ; Polipropilen lif = Polypropylene fiber ; Propilen lif = Propylene fiber ; Püskürtme beton = Shotcrete ; Sentetik lifler = Synthetic fibers

Özet:
Piramitlerin yapıldığı milattan önce 2500'lü yıllarda, gevrek yapı malzemelerinin süneklik kazanabilmesi için kerpiç yapılarda saman parçaları gibi doğal takviye kaynakları kullanılmıştır. Günümüzde ise kerpiç yapısı betona, içerisinde yer alan donatı vazifesini üstlenen saman ise fibere evrilmiştir. 
Tünel uygulamalarında kullanılan tahkimat sistemi geçmişten bugüne gelişmekte olan teknolojiye paralel olarak yenilenmektedir. Ağaç kütükleri ile başlayan donatılandırma serüveni, çelik tahkimat sistemleri ile pekişmiş olup, bugünlerde ise tünel yapıları hem pratik hem de dayanıklı olan fiber donatılı beton ile güçlendirilmektedir. Sürekli üretim anlayışı, verimliliği yüksek planlamanın ön planda olması, tahkimat sisteminin uygulanmasında zaman muhakemesinin iyi yapılmasını oldukça kritik bir noktaya taşımaktadır. 
Günümüz uygulamalarında beton karışımına eklenen fiber donatının miktarı, geometrisi, narinliği ve uzunluğu, betonun mekanik davranışını etkileyen faktörler arasında yer almaktadır. Dolayısıyla fiber donatı narinlik durumu ve tokluk sınıflaması arasındaki ilişki gözetilirken fiber donatının başta uzunluk olmak üzere mekanik davranışa etki edebilecek tüm faktörleri takip edilmelidir. Geçmiş çalışmalarda prizma beton numuneleri üzerine yapılan araştırmalar, fiber donatı narinlik oranının betonun çökme, işlenebilme, çatlak ağzı açılma deplasmanı gibi değerlerinde kayda değer değişikliklere sebebiyet verebildiğini ortaya çıkartmıştır. Bir diğer yaklaşım olarak fiber donatı miktarının beton matrisine etkisi yine söz konusu çalışmalar kapsamında değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular üzerinden fiber donatıların betona çekme mukavemeti kazandırdığı yorumu yapılabilir. Özellikle beton yol, endüstriyel zemin ve yol bariyerleri gibi dökme betonu uygulamalarında, bir diğer ifadeyle noktasal ve yayılı yük altında çalışacak zemin yapılarında, fiber donatılı betona ait çatlak ağzı açılma deplasman değerleri statik rapor hazırlanması esnasında kullanılmaktadır. 
Her ne kadar dökme beton uygulamalarından elde edilen verilerde fiber donatıların, beton performansına olumlu etkileri takip edilebiliyor olsada, püskürtme beton uygulamasının, doğası gereği içerisinde barındırdığı hava ve kimyasal katkı olan priz hızlandırıcı faktörlerinin göz ardı edilmemesi gereklidir. Aynı zamanda tez kapsamında enerji tokluk seviyesinin belirlenmesi için EN 14488-5 standardına göre alınan beton numunelerinin boyutları ve test sırasındaki çatlak deplasman genişlikleri, statik rapor için ihtiyaç duyulan EN 14651 standardından oldukça farklıdır. Sonuç olarak püskürtme beton uygulamaları için ayrıca fiber narinlik oranına göre deneyler yapılması ihtiyacını gün yüzüne çıkartmıştır.
Şev ve tünel yapılarında, oluşan deformasyonların hızlıca karşılanabilmesi noktasında püskürtme beton uygulamaları kritik öneme sahiptir. Bununla beraber yer altı madenciliğinde fiber donatı kullanımının değerlendirilmesi öncesinde kaya kütlesi kavramının bir bütün olarak incelenmesi, kayaç, sağlam kaya ve süreksizliklerin tespiti elzemdir. Kaya kütlesinin genel davranışı incelenirken kayacın Q çizelgesine göre araştırması yapılmalıdır. 1970 yılında geliştirilen Q sistemi, kayanın birbirinden farklı altı parametresi aracılığı ile hesaplanmakta ve tünel yapısını istisnai iyi ile istisnai kötü arasında dokuz farklı bölüme ayırmaktadır. Sistem, aynı zamanda her bir bölüm için kazı destek önerisinde bulunmaktadır. Burada fiber donatılarla alakalı durum incelendiğinde özellikle iyi, orta, zayıf, çok zayıf yapı sınıflamasında 500 ila 1000 Joule arasında değişen enerji absorbe etme kapasitesi sistem içerisinde aranmaktadır. Aynı zamanda Q sistemi incelenirken sentetik fiber donatıların paslanmaz yapıda olması, süneklik ve esneklik kabiliyeti, aşındırıcı ortamlardaki direnci gibi avantajları ön plana çıkmıştır. 
Q sisteminde önerilen fiber donatılı betonunda sentetik fiberin fiziksel özellikleri bu tez kapsamında incelenmiştir. Araştırmanın altında yatan ana unsular ilk etapta narinlik oranının etkilediği fiber adedi, dolayısıyla çatlak köprüleme yeteneği, nihayetinde elde edilen çatlak kontrolü ile enerji tokluk indeksindeki değişimler ön plana çıkmıştır.
Balıkesir İli, Balya İlçesi sınırları içerisinde özel bir madencilik firmasında Kasım 2021 tarihinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda aynı beton reçetesi içerisine farklı narinlik oranlarındaki fiber donatılar test edilmiştir. Tek bir üretici tarafından aynı desen yapısında tedarik edilen fiber donatıların betonun mekanik özelliklerine etkisi bu çalışma kapsamında incelenmiştir. Sentetik lifli betonun tokluk, eğilme sünekliği, enerji yutma ve yük taşıma kapasiteleri gibi performanslarının belirlenmesi amacıyla her bir fiber tipi için en az dört adet olmak üzere toplam 16 adet TS EN 14488-5 standartlarına uygun 60 cm * 60 cm * 10 cm ölçülerinde plak numunesi ve fiber içeriği tayini, birim ağırlık ve basınç dayanımı testleri için, 32 adet 10 cm * 20 cm ölçülerinde silindir numunesi hazırlanmıştır.  Taze beton deneylerinin tamamı özel maden işletmesinde gerçekleştirilirken, sertleşmiş beton deneyleri sentetik fiber donatı üretici firmanın beton laboratuvarında tamamlanmıştır.
Deneysel çalışma süresince tek bir beton reçetesi takip edilmiş olup, çalışma başlamadan, ilgili reçetenin sahada uygulanabilirliği test edilmiştir. Fiber donatılar maden işletmesi beton santralinde yer alan fiber dozajlama makinesi yardımıyla karışıma eklenmiş olup, karışım beton mikserine aktarılmadan önce santral bunkerinde yaklaşık 60 saniye boyunca iyice harmanlanmıştır. Buradaki amaç fiber donatının beton içerisinde homojen olarak dağılımının korunması olarak açıklanabilir. Santralde tamamlanan karışım sekiz metreküp beton taşıma kapasitesine sahip miksere aktarılmıştır. Akabinde sırasıyla çökme, birim ağırlık deneyleri tamamlanmış ve 28 gün kürde tutulmak üzere basınç dayanım testine tabi tutulacak silindir numuneleri alınmıştır. Yaş beton numune alım işlemini takiben beton mikseri yaklaşık 25 dakika mesafe katederek uygulama noktasına ulaşmıştır. Püskürtme beton uygulamasını yapacak olan makinenin beton beslemesi yapıldığı bölgesinde yer alan ızgara yapısı, fiber donatılı beton akışına uygun hale getirilmiştir.  Bu sayede fiberlerin herhangi bir tıkanıklığa ya da topaklanmaya maruz kalmadan akışı mümkün kılınmıştır. Püskürtme beton uygulamasından alınan panel numunelerinin üzeri püskürtme işlemi tamamlanır tamamlanmaz TS EN 14488-5 standardında bahsedildiği gibi kalınlığı 10 cm olacak şekilde düzeltilmiştir ve 24 saat boyunca yerinden hareket ettirilmeden sabit halde bırakılmıştır. Numuneler ertesi gün kürlenme işlemine tabi tutulacakları alana nakledilmiş ve hem silindir numuneleri hem de panel numuneleri 28. günde sentetik fiber donatı üretici firmanın beton laboratuvarında kırıma tabi tutulmuştur.
Sentetik fiber donatıların tahkimat elemanı olarak sağladığı faydalar, betonarme yapısına kazandırdığı eğilme performansı, çatlakların köprülenmesi, enerji tokluk değerlerinin artırılması, ani kırılma ve göçmelerin önlenmesi, geri sekme miktarının azaltılması, demir işçiliğine dayalı imalat, montaj hatalarının elimine edilmesi, maliyetlerin düşürülmesi ve daha güvenli bir çalışma ortamı yaratılması şeklinde sıralanabilir. Nitekim tez çalışması kapsamında söz konusu sentetik fiber donatıların farklı narinlik oranlarında betonarma yapısına kazandırdığı enerji tokluk değerileri yani bir diğer ifade ile beton yapısının parçalanana dek absorbe ettiği toplam enerji seviyeleri araştırılmış ve elde edilen sonuçlar altı başlık halinde yorumlanmıştır.
Dört farklı narinlik oranının değerlendirildiği deneysel çalışma süresince narinlik oranı ve tokluk indeksi arasında lineer bir ilişki kurulabildiği sonucuna ulaşılmıştır. Öte yandan çalışmalarda kullanılan hem + serisinde sabit çap altında hem de normal seride sabit çap altında fiber boyunun artması enerji absorbsiyon seviyesinin yükselmesi şeklinde sonuçlanmıştır. Bunlara ek olarak narinlik oranı ile enerji tokluk indeksindeki maksimum tepe yük arasındaki ilişki araştırılmış  ancak sonuçların neredeyse fiberli ve fibersiz tüm numunelerde benzer netice verdiği görülmüştür. Bu durum maksimum tepe yük değerinin beton matrisi ile; tokluk değerinin ise fiberli beton kompozit yapısının bir sonucu olması şeklinde yorumlanmıştır. Silindir numuneler üzerinden elde edilen basınç dayanım değerleri ve narinlik oranı arasındaki ilişki değerlendirilirken fiber donatıların basınç dayanımı üzerinde olumlu yahut olumsuz herhangi bir etki oluşturmadığı görülmüştür. 
Narinlik oranı ile doğrusal ilişkiye sahip birim hacimdeki fiber sayısı, kırımı tamamlanan plakların arka yüzeyinde gözle görülür şekilde ortaya çıkmıştır. Bu durum aynı zamanda çökme testinde de gözlenmiştir. Sabit uzunluk ve azalan çap etkisi incelendiğinde, artan fiber adedinin enerji tokluk indeksine pozitif yönde etki ettiği görülmüştür. Diğer bir deyişle çatlağın genişlemesini önlemek için ortamda daha fazla fiber donatı yer almış, bu sayede daha geniş bir yüzey alanı elde edilmiş ve neticesinde artan aderans ile beton daha uzun süre yük taşıyabilir hale gelmiştir. Bu netice betonun enerji yutma kapasitesinde artış olarak takip edilmiştir. Beton yoğunlukları üzerinden bir değerlendirme yapıldığında, taze betondan alınan numune ağırlığının hacme bölünmesiyle elde edilen yoğunluk değerlerinde rasyonel bir bağlantı kurulamamıştır. Yani fiber donatının beton birim ağırlığına etki etmediği sonucuna ulaşılmıştır. 
Enerji tokluk değerleri incelendiğinde tüm sonuçların 700 ila 1000 J arasında yani beş ve altı destek kategorisinde konumlandığı görülmüştür. Bu durum artan narinlik oranında daha düşük dozaj artışlarıyla bir üst destek kategorisi olan 1000 J değerinin arandığı 7'ye geçilebileceği şeklinde yorumlanabilir. Benzer şekilde elde edilen sonuç, narinlik oranının, beton optimizasyonu, maliyeti ve işlenilebilirliği hususlarında, önemli bir mühendislik parametresi olarak değerlendirilebileceği şeklinde değerlendirilebilir.

Abstract:
In the 2500 BC, when the pyramids were built, natural reinforcement resources such as straw pieces in mudbrick structures were used in order to increase the ductility of brittle building materials. Today, the mudbrick structure has evolved into concrete, and the straw, which takes on the role of reinforcement, has evolved into fiber reinforcement.
The reinforcment system used in tunnel applications has been renewed in parallel with the developing technology from past to present. The adventure of reinforcing, which started with wood blocks, has been changed with steel fortification systems, and nowadays tunnel structures are reinforced with fiber-reinforced concrete, which is both practical and durable. The understanding of continuous production with high-efficiency planning fact is at the forefront, brings good time judgment in the implementation of the fortification system to a very critical point.
In today's applications, the amount, geometry, aspect ratio and length of the fiber reinforcement added to the concrete mix are among the factors affecting the mechanical behavior of the concrete. Therefore, while considering the relationship between fiber reinforcement aspect ratio and toughness classification, all factors that may affect the mechanical behavior of the fiber reinforcement, especially the length, should be followed. Researches on prism concrete samples in previous studies revealed that fiber reinforcement aspect ratio can cause significant changes in values such as slump, workability, crack opening displacement of concrete. As another approach, the effect of the amount of fiber reinforcement on the concrete matrix has been evaluated within the scope of these studies. Based on the findings, it can be interpreted that fiber reinforcements increase the tensile strength to concrete. Especially in cast concrete applications such as concrete roads, industrial floors and road barriers, in other words, in ground structures that will operate under point and distributed loads, crack opening displacement values of fiber-reinforced concrete are used during the preparation of static reports.
Although the positive effects of fiber reinforcements on concrete performance can be followed in the data obtained from cast concrete applications, the air and set accelerating admixtures factors that the shotcrete application contains by its nature should not be ignored. At the same time, the dimensions of the concrete samples taken according to the EN 14488-5 standard to determine the energy toughness level within the scope of the thesis and the crack displacement widths during the test are quite different from the EN 14651 standard required for the static report. As a result, for shotcrete applications, the need to conduct tests according to fiber aspect ratio has come to light.
In slope and tunnel structures, shotcrete applications have critical importance at the point of reinfrocing the deformations that occur quickly. However, before evaluating the use of fiber reinforcement in underground mining, it is essential to examine the concept of rock mass as a whole, and to identify rock, solid rock and discontinuities. When examining the general behavior of the rock mass, the rock should be investigated according to the Q chart. The Q system, developed in 1970, is calculated by the help of six different parameters of the rock and divides the tunnel structure into nine different sections between exceptionally good and exceptionally bad. The system also proposes excavation support for each section. Here, when the situation related to fiber reinforcements is examined, energy absorption capacity ranging from 500 to 1000 Joules is needed within the system, especially in good, medium, weak, very weak structure classification. At the same time, while examining the Q system, the advantages of synthetic fiber reinforcements such as noncorrosive structure, ductility and flexibility, and resistance in abrasive environments came to the fore.
The physical properties of synthetic fiber in fiber reinforced concrete proposed in the Q system were investigated within the scope of this thesis. The main factors underlying the research were the number of fibers affected by the aspect ratio in the first place, hence the crack bridging ability, the resulting crack control and the changes in the energy toughness index. In parallel, the relationship between energy absorption capacity and concrete compressive strength, slump test, fiber aspect ratio could be followed, so the approach between concrete matrix and fiber concrete composite structure could be interpreted. As a result, the interpretation of the outputs obtained as a result of the differentiation in the physical properties of the fiber reinforcement and the monitoring of the load carrying capacities of the fiber reinforcements, which are preferred during the application of shotcrete in underground mining enterprises, under the changing physical properties can be said as another objective of the thesis.
Fiber reinforcements with different aspect ratios were tested in the same concrete recipe in experimental studies carried out in November 2021 in a private mining company within the borders of Balikesir Province, Balya District. The effect of fiber reinforcements supplied in the same pattern structure by a single manufacturer on the mechanical properties of concrete was investigated within the scope of this study. In order to determine the performances of synthetic fiber concrete such as toughness, bending ductility, energy absorption and load carrying capacity, a total of 16 panel samples of 60 cm * 60 cm * 10 cm in accordance with TS EN 14488-5 standards, at least four for each fiber type. For the determination of fiber content, unit weight and compressive strength tests, 32 cylinder samples of 10 cm * 20 cm dimensions were prepared. All of the fresh concrete tests were carried out in the private mining facility, the hardened concrete tests were completed in the concrete laboratory of the synthetic fiber reinforcement manufacturer company.
During the experimental study, a single concrete recipe was followed, and the applicability of the relevant recipe in the field was tested before the study started. Fiber reinforcements were added to the mixture with the help of fiber dosing machine in the concrete plant of the mining facility, and the mixture was thoroughly blended for approximately 60 seconds in the plant bunker before being transferred to the concrete mixer. The aim here can be explained as maintaining the homogeneous distribution of the fiber reinforcement in the concrete. When the mixture completed at the plant, concrete was transferred to a mixer with a carrying capacity of eight cubic meters. Subsequently, slump and unit weight tests were completed, respectively, and cylinder samples were taken for the compressive strength test and be kept in curing for 28 days. Following the wet concrete sampling process, the concrete mixer has reached the application area which has a distance of approximately 25 minutes from the concrete plant. The grid structure, of the shotcrete machinery's concrete feeding part, is made suitable for the fiber reinforced concrete flow. In this way, it is possible to flow the fibers without being subject to any blockage or balling. As soon as the spraying process was completed, the panel samples taken from the shotcrete application were corrected to 10 cm in thickness, as mentioned in the TS EN 14488-5 standard, and were left in exact position without being moved for 24 hours. The samples were transferred the next day and led to be cured for according to relevant standart. Both cylinder samples and panel samples were tested in the concrete laboratory of the synthetic fiber reinforcement manufacturer on the 28th day.
The benefits of synthetic fiber reinforcement as a support element, the bending performance it provides to the reinforced concrete structure, the bridging of cracks, the increase of energy toughness values, the prevention of sudden breakage and collapses, the reduction of rebound, the elimination of ironwork-based manufacturing, the elimination of installation errors, the reduction of costs and a safer operation. can be listed as creating a working environment. As a matter of fact, within the scope of the thesis study, the energy toughness values that synthetic fiber reinforcements provide to the reinforced concrete structure at different aspect ratios, in other words, the total energy levels that the concrete structure absorbs until it crashed, were investigated and the results were interpreted under six headings.
During the experimental study in which four different aspect ratios were evaluated, it was concluded that a linear relationship could be established between the aspect ratio and the toughness index. On the other hand, increasing the fiber length both under the fixed diameter in the + series and under the fixed diameter in the normal series, which was used in the studies, resulted in an increase in the energy absorption level. In addition, the relationship between the aspect ratio and the maximum peak load in the energy toughness index was investigated, however, it was observed that the results were similar in almost all samples with and without fiber. This is with the concrete matrix of the maximum peak load value; the toughness value was interpreted as a result of the fiber concrete composite structure. When evaluating the relationship between compressive strength values and aspect ratio obtained on cylindrical samples, it was observed that fiber reinforcements did not have any positive or negative effect on compressive strength.
The number of fibers per unit volume, which has a linear relationship with the aspect ratio, appeared visibly on the back surface of the panel that had been crushed. This was also observed in the slump test. When the effect of fixed length and decreasing diameter was examined, it was seen that increasing fiber number had a positive effect on the energy toughness index. In other words, more fiber reinforcement was placed in the environment to prevent the crack from expanding, thus a larger surface area was obtained, and as a result, the concrete became load-bearing for a longer period of time with increased adherence. This result was followed as an increase in the energy absorption capacity of concrete. When an evaluation is made on concrete densities, a rational connection could not be established in the density values obtained by dividing the sample load taken from fresh concrete by volume. In other words, it has been concluded that the fiber reinforcement does not affect the concrete unit weight.
When the energy toughness values were examined, it was seen that all the results were between 700 and 1000 J, that is, in the five and six support categories. This situation can be interpreted as 7, where the 1000 J value is sought, which is an upper support category, with lower dosage increases in the increasing acpect ratio. Similarly, the obtained result can be evaluated as aspect ratio can be evaluated as an important engineering parameter in terms of concrete optimization, cost and workability.