Lifli hibrit betonların mekanik ve durabilite özelliklerinin araştırılması ve performans optimizasyonu

Abstract

Beton günümüzde en çok tercih edilen yapı malzemesidir ve geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Beton, basınç yüklerine karşı mükemmel dayanım gösterirken çekme yüklerine karşı zayıf kalmaktadır. Betonun yük altında ani kırılmasını önleyen, yük aktarımı yapan donatılar veya lifler ile bu çatlakların oluşması engellenmeye çalışılmaktadır. Liflerin boyutları, geometrileri ve miktarları değiştirilerek farklı özelliklere sahip, amaca yönelik beton üretimi gerçekleştirilebilmektedir. Ancak her lif türü belirli bir sorun için kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında ise her lif türünün kendine has özelliğinden yararlanılarak Merkezi Kompozit Tasarım yöntemi ile oluşturulan yedi faktörlü deney tasarımı ile otuz farklı Hibrit Lifli Beton (HLB) karışımı yapılmıştır. Çalışma kapsamında çelik, cam elyaf, sentetik ve polipropilen lifler olmak üzere dört farklı lif türü hibritlenmiştir. Bağlayıcı hamuru oluşturan çimento uçucu kül ile ağırlıkça %40’a kadar değişen oranlarda, doğal kırma taş agrega elektrik ark fırın cürufu agregası (EAFC) ile ağırlıkça %100’e kadar değişen oranlarda ikame edilerek tam hibrit bir sistem oluşturulmuştur. HLB’lerin çökme değerini ve yarmada çekme dayanımını etkileyen en önemli değişkenin cam elyaf lif oranı olduğu belirlenmiştir. Tek tip lif kullanımı yerine farklı liflerin az miktarlarda hibritlenmesi ile betonların eğilme dayanımı ve enerji yutma kapasitesi artmıştır. Toplam lif hacmi %1’i aşmayan HLB üretimi ile donatı çekip çıkarma yükünün arttığı belirlenmiştir. Lif içeren betonların kalite ölçümlerinde dalga iletimine dayalı yöntemlerin yanıltıcı olabileceği görülmüştür. Asit ortamına maruz kalan numunelerde ağırlık kaybı, sülfat ortamına maruz kalan numunelerde ağırlık artışı gözlenmiştir. Ancak ağırlık değişimleri her iki ortam etkisinde %15 civarında mutlak değerce benzerdir ve sentetik lifler HLB’lerin dayanıklılığı açısından yetersiz kalmıştır. HLB’lerin bağlayıcı dozajı ve çelik lif içeriği arttıkça hızlı klor geçirimlilikleri azalmıştır. Ticari program kullanılarak bağımsız değişkenler ile deney sonuçları arasındaki ilişkiyi ortaya koyan regresyon modelleri elde edilmiştir. Deney sonuçlarının varyans analizi ile bağımsız değişkenlerin her bir tepki için etki ağırlığı hesaplanarak istatistiksel olarak anlamlı olup olmadığı belirlenmiştir. Oluşturulan regresyon modelleri kullanılarak belirlenen objektifler altında mekanik, geçirimlilik, durabilite ve tüm özellikleri optimize eden, erişilebilirlik ihtimali en yüksek olan optimum üretim şartları belirlenmiştir.

Concrete is the most preferred building material and needs to be developed. While concrete shows excellent performance under compressive loads, it remains weak against tensile loads. These cracks are tried to be prevented with reinforcements or fibers that transfer loads and prevent sudden breakage of concrete under loading. By changing the dimensions, geometries and quantities of the fibers, it is possible to produce concrete with different features. However, each fiber type is used for a particular problem. Within the scope of this thesis, thirty different Hybrid Fiber Concrete (HLB) mixtures were produced with the seven-factor experimental design created by the Central Composite Design method to use the unique feature of each fiber type. A completely hybrid system was created by replacing the natural crushed stone aggregate with electric arc furnace slag aggregate and fly ash with cement at rates ranging up to 100% and 40% by weight, respectively. It has been determined that the most important variable affecting the slump value of HLBs and splitting tensile strength is the glass fiber ratio. With the hybridization of different fibers in small amounts instead of using a single type of fiber, the flexural strength and energy absorption capacity of concrete have increased. It has been determined that with the production of HLB whose total fiber volume does not exceed 1%, the pull-out capacity increases. It has been observed that the methods based on wave transmission can be misleading in the quality measurements of concrete containing fiber. Weight loss was observed in samples exposed to acidic environment and weight gain was observed in samples exposed to sulphate environment. However, the weight changes are similar by about 15% in both environments and synthetic fibers were insufficient in terms of the durability of HLBs. As the binder dosage and steel fiber content of HLBs increased, their rapid chloride permeability decreased. Regression models, which reveal the relationship between independent variables and the experimental results, have been created by using a commercial software programme. Variance analysis was conducted on the experimental results. By using Response Surface Method, the effect weights of independent variables and their interactions and statistically significance for each response were determined. Optimum production conditions that optimize mechanical, permeability, durability and all properties, with the highest desirability function were determined.