Su-çimento, Polimer-çimento Ve Fiber-çimento Oranlarının Fiber Takviyeli Harçlara Etkisi

Abstract

Harçlar çok uzun zamandır kullanılan yapı malzemeleridir. Güvenli binalar, köprüler, yollar ve barajların yapımı için kaliteli ve dayanıklı harç ve beton malzemeleri gerekmektedir. Harçlar çok kullanıldıkları için ve kullanıldıkları ürünlerdeki işlenebilirlik, viskozite ve mekanik özelliklere önemli katkıda bulunmalarından dolayı, firmalarda ve akademik çevrelerde sıklıkla araştırılmaktadır. Her nekadar eski bir yapı malzemesi olsa da, insanlığın ve sanayinin yeni ihtiyaçları ve gelecek uygulamalara adaptasyon için harçların geliştirilmeleri gerekmektedir. Bu tez çalışması harçların farklı değişkenlerle özelliklerinin nasıl değiştiğini incelemek üzerine yapılmıştır. Su-çimento bilindiği üzere harçlar ve betonlar için en önemli dayanım parametrelerinden birini oluşturmaktadır. Su her nekadar çimentoyu hidrate edip, harç içindeki fazların bağlanmasını sağlayarak harçların mekanik özellik kazanmasını sağlasa da, ileriki süreçte çimento hidrate olduktan sonra buharlaşarak uçmaktadır. Bu buharlaşma hadisesi zaman içerisinde gelişip iki sebepten dolayı harçların ve betonların mekanik özelliklerini düşürmektedir. Birincisi buharlaşırken yapı içerisinden yüzeye doğru ilerleme mekanizmaları, ikincisi ise buharlaştıktan sonra harç ve betonların yapısında bıraktıkları boşluklardır. Harçlar ve betonlar nekadar boşluklu yapıya sahip olurlarsa dayanımlarının o ölçüde düşük olacağı söylenebilir. Bu nedenle yüksek su-çimento oranına sahip beton ve harçlar daha düşük mekanik dayanıma sahip olmaktadırlar. Bu tezde üzerinde çalışılan parametrelerden biri su-çimento oranıdır. Diğer ve en önemli değişkenlerden biri harçlara ve çimentolara polimerik katkılardır. Bu tezdeki temel amaçlardan biri harçlara yapılan polimer katkısının hangi oranlarda ve harç özelliklerine nasıl etki ettiğinin araştırılmasıdır. Polimerler harçlara ve betonlara farklı özellikler kazandırabilmektedirler. Harçlara polimer malzemeler katılması 20. Yüzyılın ortalarından itibaren ilgi çeken bir konu olmuştur. Özellikle malzeme teknolojisinde olan yeni gelişmeler ve yeni polimerik harç ve beton katkılarının senteziyle su-çimento oranı hiç olmadığı kadar düşük seviyelere çekilebilmiş ve daha dayanıklı harç ve betonlar üretilmiştir. Polimer modifikasyonun harçlara kattığı özellikler, genel olarak çimentonun yanında ikinci bir bağlayıcı faz oluşturmak şeklinde özetlenebilir. İç yapıda oluşan polimer filmi, agrega, çimento bağını arttırarak harçların daha yüksek mekanik dayanımlara ulaşamasını sağlayabilir. Polimer modifikasyonu harçlara su geçirmez özellik katar. Süperplastikleştirici olarak kullanılarak harçların veya betonların akışkan özellik sağlayarak işlenebilirliğini ve kalıp tutabilirliğini arttırabilirler. Ayrıca ince kesitte üretilen harç veya beton panellerde rötre çatlaklarının engellenmesinde kullanılabilirler. Bu geniş kullanım alanı ve polimerlerin harçları modifikasyon yeteneği bu tezin konusu olmuştur. Fiberler günümüzde kompozit malzemelerde sıklıkla kullanılan takviye elemanlarıdır. Çimento matrisli kompozit malzemeler olan harçlar ve betonlarda da sıklıkla kullanılan fiberlerin mekanik ve rötre özelliklerine oldukça önemli etkileri bulunmaktadır. Bu sebeplerden dolayı bu tezde temel olarak su-çimento, polimer-çimento ve fiber-çimento oranlarının etkileri araştırılmıştır. Bahsi geçen etkilerin geniş bir çerçevede araştırılması için yüzey yanıt metodu adı verilen bir yöntem kullanılarak matematiksel bir model oluşturulmuştur. Bu modelin oluşturulmasında ve deney düzeneklerinin hazırlanmasında merkezi kompozit tasarımından yararlanılmıştır. Bu tasarım doğrultusunda su-çimento, polimer-çimento ve fiber-çimento değerleri, deneysel optimizasyon ve dizayn kısmında bulunan değer aralıklarında kodlanmış ve deney düzeneği bu kodlu aralıkta oluşturulmuştur. Bu yöntemin en önemli yararlarından bir tanesi deney sonuçlarının denklemler halinde matematiksel olarak ifade edilmesi ve seçilen deney aralığı dâhilindeki tüm değerler test edilmese bile sonuçlarının tahmin edilebilmesidir. Bu tezde üç farklı polimer katkısı kullanılmıştır. Birincisi akrilik-stiren kopolimerdir ve iç yapıda oluşturduğu film ile mekanik özelliklere katkısı incelenmiştir. İkinci olarak polikarboksilat eter bazlı süperplastikleştirici kullanılmıştır. Bu made düşük su-çimento oranlarında bile harcın iyi akışkanlık gösterip iyi kalıp tutmasını sağlayarak harca katkıda bulunur. Üçüncüsü rötre ajanıdır. Deneyde incelenen bileşimlerin ince kesitte üretilmesi halinde çatlamaması için kullanılmıştır. Akrilik-stiren reçinesi farklı oranlarda kullanılırken, süperplastikleştirici ve rötre ajanı sabit oranlarda katılmışlardır. Deneysel çalışmalar sırasında farklı tip fiberler kullanılmıştır. Bunlar 12mm ve 3mm cam fiberler, 6mm yüzey işlemi görmüş cam fiber, polipropilen ve poliamid fiberlerdir. Matematiksel model dâhilinde yapılan deneylerde fiber tipi olarak sadece 12mm cam fiber kullanılmış ve farklı oranlarda bileşime olan etkisi incelenmiştir. Bunun yanında 3 tane karışık fiberli üretim yapılmıştır bu karışımlar: 12 mm cam fiber-polipropilen fiber, 12 mm cam fiber-poliamid fiber ve 3mm cam fiber-12 mm cam fiber karışımlarıdır. Ayrıca bir grupta da 6mm lik yüzey işlemi görmüş fiber katkısı denenmiştir. Deney numuneleri 40x40x160 mm3'lük numuneler halinde üretilmiştir. Harç numuneleri öncelikle 1,5 dakika yavaş karıştırılıp 1 dakika beklendikten sonra 1,5 dakika hızlı olarak tekrar karıştırılır. Harç karışımları üretilirken öncelikle katı birleşenler olan; kum, çimento, kalsit, fiber ve selüloz karıştırılmış ve üzerine eklenmesi gereken suyun yüzde 70 i eklenmiştir. Geriye kalan yüzde 30 oranındaki su süperplastikleştiriciye eklenip ayrı bir kapta bekletilirken rötre ajanı da başka bir kaba alınır. Yavaş hızdaki ilk karıştırmadan sonra süperplastikleştirici-su karışımı, rötre ajanı ve akrilik-stiren reçinesi eklenerek yüksek hızda tekrar karıştırılır. Bu prosesin sonunda gerekli harç karışımı üretilmiş olur. Taze harca ilk olarak çökme deneyi uygulanmıştır. Çökme deneyi üretilen harcın viskozitesi ve işlenebilirliği ile ilgili fikir vermektedir. Daha sonra numuneler tartılarak 2 gün boyunca su havuzunda tutulmuştur. Kür sürelerini daha uzun tutmak, harç numunelerinin polimer içerikleri nedeniyle mümkün değildir. Aksi takdirde yapı içerisinde istenen polimerik film oluşmayabilir. Kürden alındıktan sonra tekrar tartım değerleri alınmış ve 60 gün beklemeye bırakılmıştır. Bu sürenin sonunda numunelerin son tartımları alınarak, numunelere eğme ve basma testleri yapılmıştır. Ayrıca bu süreç üretim sonrasında, kür sonrasında ve deney öncesinde ağırlık ölçümleri alınarak numunelerin zamana bağlı kütle kaybı sonuçları elde edilmiştir. Deney sonuçlarına bakıldığı zaman en yüksek eğme testi değeri 6mm'lik yüzey işlemi görmüş cam fiberli grupta elde edilmiştir. Bu grubun eğme ve basma sonuçları kendinden daha düşük su çimento oranına sahip başka gruplardan bile yüksek çıkmıştır. Bunun sebebi yüzey işlemi görmüş cam fiberin matrise daha iyi tutunup daha yüksek mekanik özellikler sağlaması olabilir. 12 mm'lik cam fiberli grupta 0.54 su çimento, %10 polimer çimento ve yüzde 0,9 fiber çimento bileşimine sahip grupta en yüksek eğme ve basma değerleri elde edilmiştir. Diğer değerler sabitken polimer oranı % 20 ye çıkarıldığında mekanik dayanımın düştüğü görülmüştür. Bunun sebebi harçlara polimer katkısında kritik bir değerin varlığıdır. Belirli bir miktar katkıdan sonra polimer katkısı harçların mekanik özelliklerine negatif etkide bulunmaktadır. Eğme sonuçlarında karışık fiberli grupların, 12mm'lik cam fiber kullanılmış olan gruplara üstünlüğü bulunmaktadır. Ancak bu üstünlük basma sonuçlarında eğme sonuçlarında olduğu kadar açık olarak görülememektedir. Bu durum 3mm lik cam fiberin ve polimerik fiberlerin mekanik özellikleriyle alakalıdır.

Mortars are one of the very important construction material to build safe buildings, bridges, barrages and new constructions. Because of its importance and its huge usage area, they are frequently researched by universities and by firms. There is also need for further modification and analysis of mortars to develop this material for future applications and according to needs of humans. This study focuses on influence of different ratios of water-cement, polymer-cement and fiber-cement ratios, hybrid fibers on mortars. Due to this aim a mathematical model is evaluated. To create mathematical model surface respond method has been used. As a design of experiment, central composite design has been used. Fiber type and polymer type are selected constant during mathematical model. Only 12mm glass fiber and acrylic-styrene copolymer resin has been used. The proportions of polymer-cement, fiber-cement and water-cement ratios are evaluated according to central composite design. There is an important advantage to use surface respond method in the experiments. In the end of experiments, the results can be defined as mathematical equations and it is possible to estimate the whole results in the range of design of experiments without making further experiments for unselected values. Out of mathematical model, there are three group of polymer modified hybrid fibered mortar produced. In hybrid fibered mortars combination of polypropylene-12 mm glass fiber, polyamide-12 mm glass fiber and 3mm Cem-FIL glass fiber are evaluated. Additionally, one group has been produced with 6mm surface treated glass fiber. To find out the trade-off between effect of polymers, different type of and different amount of fibers and also the effect of combination of fibers, flexural, compressive and slump tests are performed. Slump tests are performed after the mixing of fresh mortar. Due to using slump values, viscosity and processability of mortar have been understand. After production of mortar specimens, they are waited 2 days in water pool and totally 60 days are waited. Because of the polymer content, the cure time is restricted to 2 days. After production, after water cure and before testing the specimens, their weight are calculated and noted to see their weight change up to time. The magnitude of specimens are 40x40x160mm3. There are totally 60 specimens according to mathematical model, 9 with hybrid fibered and 3 with surface treated fibered mortar specimens produced. Extensive results of mechanical, weight-loss and viscosity of mortars is discussed in result and discussion part.