PVA lif donatılı çimento esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation on the mechanical properties of PVA fiber reinforced cement based composits
Yazar: KEMAL KILIÇ BOĞAZKESEN
Danışman: YRD. DOÇ. HAKAN NURİ ATAHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Lif takviyeli beton = Fiber reinforce concrete ; Polivinil alkol = Polyvinyl alcohol

Özet:
Gevrek bir malzeme olan betona karışım sırasında lif ilave edilmesiyle daha sünek bir yapı oluşturularak betonun bazı mekanik özelliklerinde iyileşme beklenir. Lifler; tipi, boyutu, narinlik oranı (boy/çap), geometrisi, miktarı , çekme dayanımı, yüzey özellikleri ve lif-matris aderansı gibi birçok parametreye bağlı olarak betonda dayanımı, çatlak kontrolünü, şekil değiştirme kapasitesini, darbe dayanımını ve durabiliteyi arttırır.Lifler malzemelerin en geliştirilmiş halidir, dayanımları ve elastisite modülleri genellikle aynı malzemenin büyük hacimli formuna göre çok büyüktür. Farklı özellikleri ve kullanım alanları bakımından birçok lif türü vardır. Betonun kırılma mekanizması ilk çatlağın oluşmasıyla tamamlanmaktadır. Kısa ve rastgele dağıtılmış liflerle donatılandırılmış betonda ise kırılma mekanizması birçok paralel çatlağın oluşması ile tamamlanır. Beton içinde, gerek priz anında oluşan mikro çatlaklar gerek içsel gerilmelerden oluşan çatlaklar, eleman çalışmaya ve yük almaya başladıktan sonra büyümeye başlayacaktır. Çatlak, beton içinde ilerlerken liflerle karşılaştığında, çatlağın ilerlemesini sağlayan gerilme enerjisi liflere aktarılacak ve lifler tarafından karşılanmaya başlayacak, lif bu enerjiyi karşılayamadığı anda ya kopacak ya da betondan sıyrılacaktır. Lif koptuktan ya da sıyrıldıktan sonra, gerilme enerjisi tekrar betona aktarılacak, çatlak bir sonraki lifle karşılaşıncaya kadar ilerlemeye devam edecektir. Bu işlem yük arttıkça tekrarlanacak ve elemanda paralel çatlaklar oluşacaktır. Nihai kırılma gerçekleşinceye kadar elemanda oluşan paralel çatlaklar elemanın sünekleştiğinin göstergesidir.Yapılan bu çalışmada, polivinil alkol (PVA) lifler ile üretilmiş çimento bağlayıcılı kompozitlerin, özellikle eğilme altındaki davranışı olmak üzere, mekanik özellikleri araştırıldı. Özellikle farklı fiziksel özelliklerdeki PVA liflerin birlikte (hibrit) kullanılması ile, çimento esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerinin ne derece etkilendiği sistematik olarak incelendi. Çalışma kapsamında su/bağlayıcı oranı 0,20 olan ve 0,35 olan 2 farklı çimento esaslı karışım tasarlandı. Her iki karışım içinde PVA lif yüzdeleri %0,5, 1,0, 1,5, 2,0 oranlarında değişen 14 karışım tasarlandı. Ayrıca her iki su/bağlayıcı oranından lifsiz kontrol serisi harçlar üretildi. Kompozitler 28 gün laboratuvar ortamında kürlendikten sonra sertleşmiş numune üzerinde; kompozitin eğilme davranışını belirlemek amacıyla dört noktalı eğilme deneyi, basınç dayanımını belirlemek için basınç deneyi ve darbede enerji yutma dayanımını belirlemek amacıyla charpy impact darbe deneyi uygulandı.Deneysel çalışmalar neticesinde, yalın harca PVA lif ilave edilmesinin yalın harcın işlenebilirliğini düşürdüğü görüldü. PVA lif donatılı harçlar ve yalın harçlar kıyaslandığında PVA liflerin basınç dayanımını yüksek oranlarda arttırdığı sonucu elde edildi. Ancak kısa lifin %2,0 oranında karışıma ilave edildiği su/bağlayıcı oranı 0,20 olan matriste işlenebilirlik değerinin çok düşük olması dolayısıyla kalıba zor yerleştirilen numunelerin basınç dayanım değerlerinin yalın harca kıyasla düşük olduğu gözlendi.Su/bağlayıcı oranının 0,20 olduğu matrislerde karışıma lif ilave edilmesi eğilme dayanımlarını düşürmektedir. Bunun sebebi, yüksek lif oranı ve matrisin vizkozitesinin de yüksek olmasına bağlı olarak liflerin matris içerisinde homojen dağılamamasıdır.Karışımlardaki PVA lif miktarının artmasıyla darbe enerji yutma kapasiteleri artmaktadır. Su/bağlayıcı oranının 0,35 olduğu üretim serilerinin darbe enerji yutma kapasiteleri, su/bağlayıcı oranı 0,20 olan üretim serilerine kıyasla genel olarak yüksek olduğu gözlendi.Özgül kırılma enerjilerinin yalın matrise PVA lif ilave edilmesiyle yüksek oranlarda arttığı görüldü.

Abstract:
By adding fibers to the concrete ,which is a brittle matter, increased ductility and better mechanical properties are expected. Fiber increases strength, crack (fracture control), capacity of strain , impact strength and durability of concrete depending on fibers type, size, slenderness ratio, geometry, quantity, tensile strength, surface characteristic and fiber- matrix bonding.Fibers are the most enhanced state of the matter. It has greatly increased strength and modulus of elasticity compared to big volumed form of the matter. Fibers have many varaities depending on characteristic of fiber and usage area. Mechanism of concrete fracture is completed by the first crack occuarance. In short and randomly distributed fibers equipped concrete fracture mechanism is completed with many parallel cracks. In concrete, micro-cracks, which exist at hardened areas and cracks formed by internal stress will begin to grow after receiving load.When crack encounter fibers in concrete, it will transfer stress energy that allows the crack progress, to the fibers. Fibers will be broken or stripped from concrete when the stress energy exeeds their strength. The stress energy will be transferred back to the crack and crack will progress until encountering next fiber. This process will be repeated while the load increases and many parallel cracks will occur on the element. These cracks show that the elements ductility has been increased.In this study, the behavior of cement composites produced by polyvinyl alcohol (PVA) with the effect bending strenght and mechanical properties of the cement composites has been investigated.Two different mixtures with 0,20 rate of water/binding and 0,35 rate of water/binding has been designed for study. For two mixtures 14 samples with %0,5, %1,0, %1,5 %2,0 rate of PVA fiber has been designed. Furthermore plain mortars has been prepared for both mixtures. All composites had been treated in laboratory conditions for 28 days. Then four point bending expetiment performed for determining composites bending behavior , pressure experiment performed for determining composites pressure strength and charpy impact experiment performed for determining composites energy absorption capacity.After the experimental studies it has been noticed that adding pva fiber to plain mortar decreases the workability of mortar. By comparing plain mortar and PVA fiber containing mortar it can be said PVA fibers increases the pressure strength at high rates. However, mixtures with 0,20 rate of water/binding and %2,0 rate of PVA fiber has lower pressure strength than plain mortar because of it's low workability.Adding fiber to matrices with 0,20 rate of water/binding decreases the bending strength. Because, high rate of fiber and high matrix viscosity obstruct homogeneous distribution of the fiber.In the mixtures, increase of the PVA fiber amount also increases the energy absorption capacity. It has been noticed that the energy absorption capacity of production series with 0,35 rate of water/binding is generally grater than production series with 0,20 rate of water/binding .It has been observed that specific fracture energy is increased at high rates by adding PVA fibers to simple matrix.