Dayanım ve dayanıklılık açısından yüksek performanslı çimento esaslı tabakalı kompozitlerin geliştirilmesi
Development of high performance cementitious laminated composites in terms of high strength and high durabilty
Yazar: ESMA GİZEM DAŞKIRAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Malzeme üretimi = Material production ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Günümüzde mevcut yapı elemanları modern tekniklerle üretilen malzemelerle onarılıp aynı zamanda güçlendirilmektedir. Gelişmekte olan yeni malzemeler ile yığma yapılar, kolonlar, kirişler ve diğer yapı elemanları onarılıp güçlendirilir. Yapısal elemanların çekme ve eğilme performanslarını geliştirmesi bakımından geliştirilen bu malzemeler lif donatılı polimerler veya lif donatılı çimento esaslı kompozitlerdir. Çimento esaslı üretilen bu kompozitler, uzun süreli dürabilite, yangın ve ultraviyole etkilerine karşı direnç göstermeleri bakımından üstün özeliklidir. Ayrıca, tekstil donatılı çimento esaslı kompozitlerde üretim yöntemlerindeki esneklik, tekstil tipinin, geometrisinin ve oryantasyon açısının kontrol edilebilirliği bu kompozitleri diğer kompozitlere göre daha etkin kılmaktadır.
Kompozit malzemelerin geleneksel malzemeler karşısında üstün mekanik özellikler göstermesi son yıllarda kompozitlerin üretim yöntemleri üzerinde daha yoğun çalışmalar yapılmasına sebep olmuştur. Fakat bu malzemelerin üretim maliyetleri hala yüksektir ve problemler mevcuttur. Bir kompozit malzemenin üretiminde istenilen teknik özelikte takviye elemanı belirlemek ve matris malzemelerinin seçimi yanında üretim tekniği ve sertleştirme parametreleri de çok önemlidir.
Çeşitli üretim yöntemleri kompozit malzemelerin özelliklerini önemli derecede etkilemektedir. Bununla ilgili çoğu araştırmacı deneyler yapmış ve farklı üretim yöntemlarının hangisinin etkin olduğunu anlamaya çalışmıştır. Bu tez kapsamında tekstil donatılı çimento esaslı kompozitlerin üretimi için yeni bir yöntem önerilmiş ve kompozitlerin üretimi bu yöntem dahilinde tasarlanan yeni bir makine yardımıyla yapılmıştır. Yöntemin ismi PPR (Pull pour and roll) çek, dök ve sar yöntemidir. Mevcut yöntemlerin olumsuzluklarını ortadan kaldırarak daha pratik, hızlı daha uniform elemanlar üretmeyi sağlayan bu makine dünya çapında ilk defa üretilmiş ve bu tez kapsamında kullanılmıştır.
Literatürde kullanılmış farklı tipte tekstiller ile yeni tasarlanacak harç kullanılarak tekstil donatılı çimento esaslı kompozit üretimi amaçlanmıştır. Harç tasarımında öncelikle farklı polimerlerin dayanıma ve işlenebilirliğe katkısı incelenmiştir. Seçilen polimerle kompozitlerin üretimi yapılarak dayanım ve dayanıklılık açısından yüksek performanslı bir malzeme elde edilmek istenmiştir. Önerilen yeni makine ve teknik kullanılarak üretilecek kompozitlerin mekanik performansı araştırılmıştır.
Tez çalışması kapsamında AR Glass (Alkaliye dayanıklı cam), Bazalt ve PVA tekstiller ve polimer modifiyeli harç kullanılarak 4, 6 ve 8 kat tekstil içeren tabakalı kompozit elemanlar üretilmiştir. Üretilen bu elemanların mekanik özelliklerinin belirlenmesi için eksenel çekme, dört noktalı eğilme, Charpy çarpma ve yapışma (aderans) deneyleri yapılmıştır. Ayrıca dayanıklılık açısından yüksek performanslı olarak tasarlanan bu kompozitlerde alkaliye direnç testi ve ıslanma kuruma çevrimi uygulanmıştır. Alkaliye direnç testi geçirmiş elemanlara eksenel çekme ve ıslanma kuruma çevrimleri geçirmiş elemanlara yapışma (aderans) deneyleri uygulanmıştır.
Bazalt tekstillerle üretilen numuneler en yüksek eğilme ve eksenel çekme performansına sahip olmuştur. Bazalt serilerinin alkaliye direnç etkisi geçirmiş numuneleri en yüksek dayanım kaybına uğramıştır. AR Glass serileri Bazalt serilerden daha düşük eğilme ve çekme dayanımına sahip olurken alkaliye direnç testi geçirmiş numuneleri daha az dayanım kaybına uğramıştır. PVA seriler eğilme ve eksenel çekme deneylerinde daha düşük dayanım gösterirken yaptıkları uzama ve sehimler çok daha büyüktür. Alkaliye direnç etkisi geçirmiş PVA serilerde önemli bir dayanım kaybı yaşanmamıştır. Charpy çarpma deneylerinde PVA seriler en yüksek performansı gösteren numuneler olmuştur. Islanma kuruma çevrimlerinde tekstil donatılı kompozit plakaların hiç biri önemli bir dayanım düşüşü yaşamamış, numunelerin kenarlarında kıvrılma (warping) gözlenmemiş şekil stabilitesi bozulmamıştır.

Abstract:
Nowadays existing structural elements are being repaired with the materials produced with modern techniques and strengthened at the same time. With these new developing materials, masonry structures, columns, beams and other building elements are repaired and reinforced. These materials developed for improving the tensile and bending performance of structural members are fiber reinforced polymers or fiber reinforced cement based composites. These cement-based composites are advantageous in terms of long-term durability, resistance to fire and ultraviolet effects. In addition, the flexibility in production methods in textile reinforced cement based composites, the controllability of textile type, geometry and orientation angle make these composites more effective than other composites.
The fact that composite materials exhibit superior mechanical properties over conventional materials has led to more intensive studies on the manufacturing methods of composites in recent years. However, the production costs of these materials are still high and there are problems. In addition to the selection of matrix materials and the reinforcing elements in the desired technical feature, selection of production technique and hardening parameters are very important to determine in the production of composite material.
Various production methods significantly influence the properties of composite materials. Most researchers have experimented this subject and tried to figure out which of these different methods of production is effective. In this thesis, a new method for the production of textile reinforced cement based composites has been proposed and the production of composites has been done with the help of a new machine designed within this method. PPR (Pull pour and roll) is the method of pulling, pouring and rolling. The process comprises pouring the matrix, pulling the textile and rolling the composite material. This machine has been produced for the first time in the world and used within the scope of this thesis which enables to produce more practical, faster and more uniform elements by removing the disadvantages of existing methods.
The processes for manufacturing the textile materials ensure that the reinforcing structures are in a predetermined location with reinforcing elements. They can be made from short fibers in the production of non-woven fabrics or from continuous filaments in woven and knitted fabrics. The form of the reinforcing structures may be either planar (two dimensional (2D)) or interspace (three dimensional (3D)). In the latter case, they are able to withstand not only one or two orientations in a plane but also in a volume, that is to say in the direction of the transition thickness of the reinforced structure. The three dimensional structures may take the shape of the final composite element. This causes the reduction of human power within the work force. Depending on the direction of the load applied externally.Textile fabrics can be located in any direction at a certain load. Because the textile properties can be easily changed and adapted from isotropic to anisotropic, with the necessary amount of reinforcement elements present in the form of yarns in warp or weft direction or both.
Various matrix compositions for the production of TRCC materials are developed paying attention to requirements of workability, bond to textile reinforcement. In previous studies, ready mixed concrete mortars were used as matrix material in the production of textile reinforced cement composites. In addition, new matrices were designed and tested in the laboratory. Some of these matrices are polymer modified fine grained concretes. However, data concerning the mixing design and physical or mechanical properties of polymer matrices are limited. Comparative tests on fine-grained concrete used as matrix in textile reinforced cement composites are insufficient. Polymer modified mortar and concrete show a noticeable increase in tensile and flexural strength and show no improvement in compressive strength compared to ordinary cement mortar and concrete. Polymer modification increases the flexural strength of fine grained concrete relative to film forming properties. Due to the small diameter of the dispersed particles, the polymeric dispersions can penetrate the spaces between the filaments prior to the adjustment of the concrete. Bonding of fine grained concrete and textile reinforcement is positively affected by polymers. These matrices also offer high chemical resistance. Also polymer modified fine grained concretes provide good workability compared to conventional mortar and concrete. These properties are reflected to reduce water absorption and water permeability. As a result, polymer modified fine grained concretes have lower water permeability compared to ordinary mortar and concrete. Polymer modification provides excellent impact resistance to polymeric fine grained concretes when compared to other mortars and concretes. Because of its superior properties it is very important to use polymeric fine-grained concretes as matrix material in TRCC.
In the scope of the thesis, textile reinforced cementitious composite (TRCC) elements containing 4, 6 and 8 layers of textile were produced by using AR Glass (Alkali Resistant Glass), Bazalt and PVA textiles and polymer modified mortar. AR Glass and basalt samples degradate in alkaline environments. PVA is known as inert material in alkaline environments. In the use of Ar Glass and basalt textiles in cementitious environment some precautions should be taken in mortar design. For example, supplementary cementitious materials like fly ash, blast furnace slag or silica fume should be added to the mixture. Mortars were prepared with such supplementary materials and polymer modifiers within this aim. In mortar design, firstly the contribution of different polymers to strength and workability has been investigated. The direct tension, four point bending, impact and pull off tests were performed to determine mechanical properties of the produced elements. In addition, within these composites which are designed as high performance in terms of durability, alkaline test was applied and direct tension tests was repeated; wetting and drying cycles are done and pull of tests are performed afterwards.
The samples produced with basalt textiles had the highest bending and direct tension performance. Basalt series which were subjected to alkaline resistance test were affected and showed highest strength lost among other series. The AR Glass series have lower bending and tensile strength than basalt series and the samples that have undergone the alkaline resistance test have suffered less strength loss. While the PVA series show lower strength in bending and axial tensile tests, their elongation and deformation are much larger. There was no significant loss of strength in PVA series
affected by alkaline resistance. In the Charpy impact tests PVA series showed highest performance. In wet curing cycles, none of the textured reinforced composite plates have experienced a significant reduction in strength and warpage of the edges of the specimens was not undetected.