Farklı fiberlerin betonun kuruma büzülmesi davranışına ve betonda plastik rötre sonucu oluşan çatlaklara etkisi
The effect of different fibers on concrete dryingshrinkage behaviour and concrete crackġng due toplastic shrinkage
Yazar: YAŞAR SİNAN GÜRSESLİ
Danışman: DOÇ. DR. HASAN YILDIRIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde beton en yaygın olarak kullanılan yapı malzemelerinin başındadır. Çevresel etkiler ve betonun iç yapısından doğan betonu etkileyen birçok faktör vardır. Büzülme kavramı betonu etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Kuruma rötresi ve plastik rötre sonucu kaynaklanan çatlaklar beton biliminde göz önünde bulundurulması gereken problemlerdendir.
Genel olarak kuruma rötresi sertleşmiş betoda ortam nemine ve sıcaklığına bağlı olarak su kaybederek büzülmesidir. Bu büzülme sonrasında beton zamana bağlı olarak şekil değiştirme gösterir. İlk olarak agrelar arasında bulunan serberst su buharlaşarak şekil değiştirirken daha ileriki dönemlerde çimento hamuru içindeki su buharlaşarak rötre oranının artmasına neden olur. Öte yandandan plastik rötre betonun erken yaşta veya taze halde iken gerçekleşen bir olaydır. Beton sertleşmeden önce hızlı su kaybından dolayı olan büzüzlmedir. Plastik rötrenin başlıca nedeni beton yerleştirildikten sonra agrega ve katı maddeler dibe çökelirken suyun yüzeye çıkarak terleme hızının buharlaşma hızından daha az olmasıdır. Bu durumda betonun yüzeyi ile altında kalan kütle beton aynı oranda büzülmez ve yüzeyde çatlak oluşur. Plastik rötre çevresel etkiler ve betonun iç yapısına bağlı gerçekleşen bir olaydır.
Öncelikle PRC ve kuruma büzülmesi hakkında bir çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalarda PRC ve kuruma rötresini etkileyen mekanizmalar araştırılmıştır. İlave olarak, PRC ve kuruma rötresini engellemek için günümüzde kullanılan poliproplan, polietilen gibi sentetik fiberler ve çelik fiberlerin davranışı incelenmiştir ve karşılaştırılmıştır.
Bu çalışmalarda kısa sentetik fiberlerin PRC üzerine olumlu etkisi incelenmiştir. Ayrıca tek kancalı çelik fiberlerinde PRC mekanizmasını azaltma etkileri görüşmüştür. Öte yandan kuruma rötresini azaltmak için yapılan çalışmalarda senttik ve tek kancalı çelik fiberlerin kuruma rötresine bağlı şekil değiştirmeleri aza indirdiği saptanmıştır. Sentetik fiberlerin ve tek kancalı çelik fiberlerin farklı şekilde etkilerinin olduğu açıkça görülmüştür.
 
Bu çalışmada 60, 60C ve 120 tiplerinde ve farklı doğrultularda bulunan tel örgülerle beraber çelik hasır, tek kancalı çelik fiber ve sentetik fiberin PRC ve kuruma rötresine etkisi incelenmiştir. Kuruma rötresi için ASTM C157/C157M – 17 ve TS ISO 1920 – 8:2009 standatları referans alınarak yapılmıştır. Öte yandan PRC deneyleri için ASTM C 1579 – 13 ve ICC-ES AC217 standartları referans olarak kullanılmıştır. Kuruma rötresi için numuneler 91 gün boyunca belirli aralıklarla ölçülmüş ve bu okumalarla zamana bağlı şekil değiştirme grafikleri çizilmiştir. Farklı fiberlerin kuruma rötresi araştırılırken şu formül kullanılmıştır. (Ɛ1)= [(1. okuma değeri – 2. Okuma değeri)/(1. Okuma değeri)]. PRC için deney sonucunda farklı fiberlerin oluşturduğu çatlaklar ölçeklendirilmiş cetvel yardımıyla görselleri alınmış olup gerekli programlar sayesinde veriler hazırlanmıştır. Bu veriler sayesinde farklı fiberler kullanıdığında referans betonuna göre hem toplam çatlak alanındaki azalma oranını hemde ortalama çatlak genişliğindeki azalma oranı yüzdece tayin edilmiştir. Farklı fiberlerin kullanılmasının ÇAO bulunması şu formülle sağlanmıştır. ÇAO=[ 1
– (lif katkılı betonun ortalama çatlak genişliği veya toplam çatlak alanı) / (referans betonun ortalama çatlak genişliği veya toplam çatlak alanı)] x 100.
Sonuç olarak D tipi fiberler PRC için S tipi fiberden sonra en etkili fiber tipi olmuştur. D tipi fiber kuruma büzülmesine karşı en etkili fiber olmuştur. S tipi fiber PRC için en etkili fiber olmuştur. Kuruma büzülmesi için S tipi fiber etkili olamamıştır. C tipi fiber  hem PRC‟ye  hem de kuruma  büzülmesi davranışıda etkili olamamıştır. 60, 60C, 120 tipi fiberler doğrultuları değiştikce hem kuruma rötresine hem de PRC davranışına değişken bir şekilde etki etmişlerdir.

Abstract:
Today‟s world, concrete which is the most popular structural materials is genarally used in many fields. Enviormental effects and internal structure of concrete lead to a lot of issues. Shrinkage is an important topic for concrete durability. Drying shrinkage and PRC are vital problems for concrete lifetime. So these problems should be considered by concrete science.

Generally, Drying shrinkage which is led to loss of water by evapration from the hardened concrete related to ambient temperature and ambient relative humidty. Concrete shrinkage is depended on concrete life time because concrete can be loss of water in the long run. Firstly, free water in between aggregate is evaporated and concrete strain rate is increased. After this process water which is in cement paste is evaporated and this lead to huge strain rate for concrete. On the other hand, plastic shrinkage has different mechanism than drying shrinkage. Plastic shrinkage can only occur when concrete cast into mold. So fresh concrete is tended to show plastic shrinkage behavior. Before concrete hardening water is evaproted quickly and it cause shrinkage. When concrete formed into the molds, the aggregates settle because of gravity and in contrast, water bleeds. If the rate of bleeding is smaller than the rate of evaporation, surface concrete mixture start to shrink. If shrinkage rate is faster than bleeding, concrete will be cracked. Plastic shrinkage depended on  environmental factors and internal structure of concrete.

Many researchers have been reported both drying shrinkage topic and PRC behavior for decades. Researchers concentrated on PRC and drying mechanism. Additionally, they tended to analyze effect of synthetic and steel fibers on PRC and drying shrinkage mechanism. These types of fibers preventing performance on shrinkage was investigated.

In these researchs short and synthetic fibers affect positively to prevent PRC behaviour of concrete. In addition, single-hooked type of steel fiber influence to protect PRC. Both steel fibers and synthetic fibers provide to prevent PRC and drying shrinkage behaviour of concrete.
 
In this paper refers that different types of fibers tend to affect concrete both drying and plastic shrinkage in a different way. Fibers which are 60, 60C, 120 were  analyzed for performance of shrinkage behavior by different directions. And aslo, effect of D(single hooked steel fiber), S(synthetic fibers) and C( steel mesh) types of fibers had been analyzed. ASTM C157/C157M-17 and TS ISO 1920 – 8:2009 standards are helped the baselie of process. In 91 days data was collected at regular intervals. After collected data, these values put on this formulation. (Ɛ1)= [(1. reading value – 2. reading value)/(1. Reading value). Using this formula was provided to plot time dependent deformation graph. On the other hand, these same types of fibers was used to analyze for performance on PRC. Firstly, photos of specimen captured in order to measure totoal crack reduction ratio (CRR) and average crack width calculated with formula given below.
CRR: [1 - (Avarage crack width or total crack area of fiber reinforced mixture)/(Average crack width or total crack area of reference mixture)] x100

Concrete was mixed using a rotary pan mixer of 50 liters capacity. Respectively the coarse aggregate, fine aggregate and cement were put into pan and mixed dry for a while. By reserving some of it, water added to mixer slowly. After that superplasticizer mixed into the reserved water and added to the mixer. Fibers dispersed by hand into the mixture to achieve a uniform distribution. After mixing, the workability of concrete was determined by using slump test. The concrete was placed into the mould and vibrated on vibrating plathform. After that a smooth steel screed was used to finish the concrete surface. Laminated board moulds with dimensions of 355 mm x 560 mm x 95 mm were used. According to ASTM C 1579 standart, moulds have three stress risers. But this experimental study come across the fall-winter season. Because of rising humidity and decrising air  temprature, achieving the criteria of minimum 0,5 mm average crack width got difficult. With the aim of solving this problem two additional restraints were placed between small stress riser and edge which were anchored upper side of the mould. The concrete specimens were placed into environmental chamber after casting. To obtain  sufficient evaporation rate, a fan with air velocity 16 – 17 km/h and an infrared heater were used in environmental chamber. At the end of the experiment,  temprature and relative humidity were measured respectively 43±3 °C and 14±3% on the surface of concrete. Also evaporation rate was measured as 1,09 kg/m2 .h which achieved the criteria of 1,0 kg/m2 .h. The specimens were kept in the environmental chamber for 4 hours. After first crack became visible, photos of specimen captured approximately 30 minutes intervals. And these photos used for image proccessing to measure total crack area, total crack length and maximum crack width. Crack reduction ratio (CRR) of total crack area and average crack width calculated with formula given below.

When monofilament and fibrillated polypropylene fibers compared, that was seen that the performance of monofilament fibers better than fibrillated ones. It can be said that as a reason of this situation, the specific surface of monofilament fiber is higher than fibrillated fiber for same dosages so monofilament fiber dispersed better and provided better adherence. When looked to the reference specimens, with coarsen aggregate gradation total crack areas were decreased. Because, while the materials gone finer, the specific surfaces increases and they can hold more water on their surfaces. So rate of bleeding water decreases and plastic shrinkage cracks be formed earlier. If we look at the effect of aggregate gradations on performance of
 
fibers, it is clearly seen that especially for lower fiber dosages, the effectiveness of fibers decreased with coarsing gradations. It is very diffucult to explain this situation exactly. But it can be said that as the gradation of combined aggregate is getting coarsen, the mortar phase of concrete decreases. Thus, fibers can find less mortar phase to be adhered and then their performance decreases.

As a result, for mesh fibers(60, 60C, 120) results show that vertical condition leads to lower drying shrinkage. Moreover, for chopped fiber type D fiber reinforced concrete specimen demonstrate lower drying shrinkage than type S. Type C fiber reinforced concrete specimen reached the highestdrying shrinkage value however type D fiber reinforced cocnrete specimen has the lowest drying shrinkage value. After analyzed PRC specimens, S type has the highest total crack reduction ratio so it shows that S type is the most effective fiber to protect plastic shrinkage cracking, however C t ype could not prevent concrete cracking due to plastic shrinkage. And also, perperndicular directions of mesh fibers effect on PRC behavior frustratingly.