Atık çelik tel içeren çimento bulamacı emdirilmiş lifli betonların mekanik özellikleri
Mechanical properties of slurry infiltrated fiber concrete containing waste steel fibers
Yazar: PINAR ÇELİKCAN
Danışman: DOÇ. DR. ÖZKAN ŞENGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Lif takviyeli beton = Fiber reinforce concrete ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Yeniden kullanma = Reuse ; Çelik lif = Steel fiber

Özet:
Beton; heterojen yapılı, bünyesinde boşluklar ve mikro çatlaklar bulunduran yarı gevrek bir malzemedir. Geleneksel yalın betonun enerji yutma kapasitesi düşük olduğundan, betonda dış yükler altında ani kırılma gözlenir. Gevrek kırılmanın önüne geçmek ve malzemeye daha sünek bir yapı kazandırmak adına çeşitli güçlendirme teknikleri kullanılmaktadır. Bunlardan biri olan çelik lif ile güçlendirme ise son yıllarda araştırma alanı genişleyen bir tekniktir. Çimento bulamacı emdirilmiş lifli beton (SIFCON) olarak adlandırılan bu kompozit malzeme geleneksel betona göre gelişmiş performans göstermektedir. Günümüzde, doğal kaynakların hızla tükenmesi, malzeme üretimi esnasında atmosfere salınan CO2 miktarının üretimin sürekliliğiyle devamlı olarak artması ve üretimler sırasında ihtiyaç duyulan enerjinin çokluğu gibi temel konu başlıklarından yola çıkılarak inşaat sektöründe de sürdürülebilirlik fikri önem kazanmaya başlamıştır. Bu sebeple, yürütülen çalışmadaki SIFCON üretimlerinde, ömrünü tamamlamış atık lastiklerden elde edilen iki çeşit hurda çelik tel kullanılmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, atık çelik tel takviyeli SIFCON'un basınç, yarmada çekme ve eğilme dayanımlarına ek olarak; kırılma enerjisi ve tokluk gibi mekanik özelliklerinin çelik tel içeriğiyle değişiminin incelenmesidir. Deneysel çalışmada çimento hamuru bileşenleri sabit tutularak; %1, %2, %3, %4 ve %5 oranlarında atık çelik tel içeren karışımlar üretilmiştir. Bu üretimlere ek olarak karşılaştırma yapılabilmesi adına, tel takviyesiz şahit numuneler de üretilmiştir. Her bir karışımdan 3'er örnek olmak üzere 18 adet, iki farklı tel çeşidi için ise toplamda 36 adet prizma numune üretilmiştir. Geri dönüşüm tesislerden temin edilen atık çelik tel gruplarının içindeki veya yüzeyindeki lastik ve elyaf gibi istenmeyen malzemeler temizlenmiş, sürekli olarak kullanılacak teller kalıplara uygun şekilde kesilerek hazırlanmıştır. Ardından teller kalıplara mümkün olduğunca homojen olacak şekilde el ile yerleştirilmiş ve çelik teller arasına üretilen hamur emdirilmiştir. Kür uygulaması ile dayanım kazanılması ardından prizma numuneler çentiklenmiştir. Çalışmanın sonucunda, yarmada çekme dayanımı, eğilme dayanımı, tokluk ve kırılma enerjisi gibi mekanik özelliklerin tel takviyesiyle önemli oranda iyileştiği ve artan tel içeriği ile bu değerlerin de arttığı gözlemlenmiştir. Malzemenin yük-sehim eğrisinin pik sonrası davranışı iyileşmiş, bu noktadan sonra eğriler daha az dik hale gelmiş yani malzeme sünek yapı kazanmıştır. Ek olarak, atık çelik tel kullanımı ile basınç dayanımı değerlerinde önemli farklılıklar gözlenmemiştir. Özetle, farklı lif tiplerinin SIFCON'un mekanik özelliklerinin iyileşmesinde önemli bir katkısı olduğu, bu katkının artan tel içeriği ile arttığı ve bu iyileşme miktarlarının takviye olarak kullanılan telin karakteristik özellikleri ile değiştiği de gözlemlenmiştir. Bu çalışmadaki, takviye olarak yüksek fiyatlı ticari teller yerine atık çelik teller kullanılarak sürdürülebilir bir yaklaşımla yapılan SIFCON üretimlerinin mekanik özelliklerinde önemli oranlarda iyileşme olduğunu doğrulamaktadır.

Abstract:
Concrete is a semi-brittle material with a heterogeneous structure, containing voids and micro cracks. Since the energy absorption capacity of conventional plain concrete is low, a sudden fracture is observed in concrete under external loads. Various strengthening techniques are used to prevent brittle fracture and to bring the material a more ductile structure. Reinforcement with steel fiber, which is one of them, is a technique whose research area has expanded in recent years. This composite material, called slurry infiltrated fiber concrete (SIFCON), shows improved performance over conventional concrete. Today, the idea of sustainability has begun to gain importance in the construction sector, based on the main issues such as the rapid depletion of natural resources, the amount of CO2 released into the atmosphere during material production, the continuous increase in production, and the abundance of energy needed during production. For these reason, two different types of scrap steel fibers obtained from the waste tire were used in the production of SIFCON in this study. The main purpose of this study is to examine the changes in mechanical properties of SIFCON reinforced with waste steel fibers, such as fracture energy and toughness in addition to compressive, splitting tensile and flexural strengths. In the experimental study, mixtures containing waste steel fibers by the volume of %1, %2, %3, %4, and %5 were produced by keeping the cement paste components constant. In addition to these productions, control specimens without waste fiber reinforcement were also produced to make comparisons. 3 samples from each mixture were cast, thus, 36 prism samples were obtained for two different fiber types in total. Undesirable materials such as rubber and textiles inside or on the surface of waste steel fiber groups obtained from recycling plants have been removed and fibers to be used continuously were prepared by cutting in accordance with the mold. Then, the waste fibers were placed into the molds by hand in such way as to be as homogeneous as possible, and infiltated by a flowable cement slurry. After the curing period, the prism specimens that gained strenght were notched. As a result of the study, it was observed that mechanical properties such as splitting tensile strength, bending strength, toughness, and fracture energy were significantly improved with waste fiber reinforcement, and these values were enhanced by increased fiber content. In load deflection curves, after the peak points, the curves became less steep which means materials gained a ductile structure. In addition, no significant differences were observed in compressive strength values with the use of waste steel fiber. In summary, it has been observed that different fiber types of fiber have an important contribution to the mechanical properties of SIFCON, and the contribution increases with the fiber content. The characteristics of the fibers used as reinforcement also affect the mechanical properties. The study confirms that there is a significant improvement in the mechanical properties of SIFCON productions, which are made with a sustainable approach using waste steel fibers instead of high-priced commercial fibers as reinforcement.