Sentetik fiber donatılı püskürtme beton uygulamasında fiber donatı narinlik oranının betonun tokluk indeksine etkisi

Abstract

Piramitlerin yapıldığı milattan önce 2500'lü yıllarda, gevrek yapı malzemelerinin süneklik kazanabilmesi için kerpiç yapılarda saman parçaları gibi doğal takviye kaynakları kullanılmıştır. Günümüzde ise kerpiç yapısı betona, içerisinde yer alan donatı vazifesini üstlenen saman ise fibere evrilmiştir. Tünel uygulamalarında kullanılan tahkimat sistemi geçmişten bugüne gelişmekte olan teknolojiye paralel olarak yenilenmektedir. Ağaç kütükleri ile başlayan donatılandırma serüveni, çelik tahkimat sistemleri ile pekişmiş olup, bugünlerde ise tünel yapıları hem pratik hem de dayanıklı olan fiber donatılı beton ile güçlendirilmektedir. Sürekli üretim anlayışı, verimliliği yüksek planlamanın ön planda olması, tahkimat sisteminin uygulanmasında zaman muhakemesinin iyi yapılmasını oldukça kritik bir noktaya taşımaktadır. Günümüz uygulamalarında beton karışımına eklenen fiber donatının miktarı, geometrisi, narinliği ve uzunluğu, betonun mekanik davranışını etkileyen faktörler arasında yer almaktadır. Dolayısıyla fiber donatı narinlik durumu ve tokluk sınıflaması arasındaki ilişki gözetilirken fiber donatının başta uzunluk olmak üzere mekanik davranışa etki edebilecek tüm faktörleri takip edilmelidir. Geçmiş çalışmalarda prizma beton numuneleri üzerine yapılan araştırmalar, fiber donatı narinlik oranının betonun çökme, işlenebilme, çatlak ağzı açılma deplasmanı gibi değerlerinde kayda değer değişikliklere sebebiyet verebildiğini ortaya çıkartmıştır. Bir diğer yaklaşım olarak fiber donatı miktarının beton matrisine etkisi yine söz konusu çalışmalar kapsamında değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular üzerinden fiber donatıların betona çekme mukavemeti kazandırdığı yorumu yapılabilir. Özellikle beton yol, endüstriyel zemin ve yol bariyerleri gibi dökme betonu uygulamalarında, bir diğer ifadeyle noktasal ve yayılı yük altında çalışacak zemin yapılarında, fiber donatılı betona ait çatlak ağzı açılma deplasman değerleri statik rapor hazırlanması esnasında kullanılmaktadır. Her ne kadar dökme beton uygulamalarından elde edilen verilerde fiber donatıların, beton performansına olumlu etkileri takip edilebiliyor olsada, püskürtme beton uygulamasının, doğası gereği içerisinde barındırdığı hava ve kimyasal katkı olan priz hızlandırıcı faktörlerinin göz ardı edilmemesi gereklidir. Aynı zamanda tez kapsamında enerji tokluk seviyesinin belirlenmesi için EN 14488-5 standardına göre alınan beton numunelerinin boyutları ve test sırasındaki çatlak deplasman genişlikleri, statik rapor için ihtiyaç duyulan EN 14651 standardından oldukça farklıdır. Sonuç olarak püskürtme beton uygulamaları için ayrıca fiber narinlik oranına göre deneyler yapılması ihtiyacını gün yüzüne çıkartmıştır. Şev ve tünel yapılarında, oluşan deformasyonların hızlıca karşılanabilmesi noktasında püskürtme beton uygulamaları kritik öneme sahiptir. Bununla beraber yer altı madenciliğinde fiber donatı kullanımının değerlendirilmesi öncesinde kaya kütlesi kavramının bir bütün olarak incelenmesi, kayaç, sağlam kaya ve süreksizliklerin tespiti elzemdir. Kaya kütlesinin genel davranışı incelenirken kayacın Q çizelgesine göre araştırması yapılmalıdır. 1970 yılında geliştirilen Q sistemi, kayanın birbirinden farklı altı parametresi aracılığı ile hesaplanmakta ve tünel yapısını istisnai iyi ile istisnai kötü arasında dokuz farklı bölüme ayırmaktadır. Sistem, aynı zamanda her bir bölüm için kazı destek önerisinde bulunmaktadır. Burada fiber donatılarla alakalı durum incelendiğinde özellikle iyi, orta, zayıf, çok zayıf yapı sınıflamasında 500 ila 1000 Joule arasında değişen enerji absorbe etme kapasitesi sistem içerisinde aranmaktadır. Aynı zamanda Q sistemi incelenirken sentetik fiber donatıların paslanmaz yapıda olması, süneklik ve esneklik kabiliyeti, aşındırıcı ortamlardaki direnci gibi avantajları ön plana çıkmıştır. Q sisteminde önerilen fiber donatılı betonunda sentetik fiberin fiziksel özellikleri bu tez kapsamında incelenmiştir. Araştırmanın altında yatan ana unsular ilk etapta narinlik oranının etkilediği fiber adedi, dolayısıyla çatlak köprüleme yeteneği, nihayetinde elde edilen çatlak kontrolü ile enerji tokluk indeksindeki değişimler ön plana çıkmıştır. Balıkesir İli, Balya İlçesi sınırları içerisinde özel bir madencilik firmasında Kasım 2021 tarihinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda aynı beton reçetesi içerisine farklı narinlik oranlarındaki fiber donatılar test edilmiştir. Tek bir üretici tarafından aynı desen yapısında tedarik edilen fiber donatıların betonun mekanik özelliklerine etkisi bu çalışma kapsamında incelenmiştir. Sentetik lifli betonun tokluk, eğilme sünekliği, enerji yutma ve yük taşıma kapasiteleri gibi performanslarının belirlenmesi amacıyla her bir fiber tipi için en az dört adet olmak üzere toplam 16 adet TS EN 14488-5 standartlarına uygun 60 cm * 60 cm * 10 cm ölçülerinde plak numunesi ve fiber içeriği tayini, birim ağırlık ve basınç dayanımı testleri için, 32 adet 10 cm * 20 cm ölçülerinde silindir numunesi hazırlanmıştır. Taze beton deneylerinin tamamı özel maden işletmesinde gerçekleştirilirken, sertleşmiş beton deneyleri sentetik fiber donatı üretici firmanın beton laboratuvarında tamamlanmıştır. Deneysel çalışma süresince tek bir beton reçetesi takip edilmiş olup, çalışma başlamadan, ilgili reçetenin sahada uygulanabilirliği test edilmiştir. Fiber donatılar maden işletmesi beton santralinde yer alan fiber dozajlama makinesi yardımıyla karışıma eklenmiş olup, karışım beton mikserine aktarılmadan önce santral bunkerinde yaklaşık 60 saniye boyunca iyice harmanlanmıştır. Buradaki amaç fiber donatının beton içerisinde homojen olarak dağılımının korunması olarak açıklanabilir. Santralde tamamlanan karışım sekiz metreküp beton taşıma kapasitesine sahip miksere aktarılmıştır. Akabinde sırasıyla çökme, birim ağırlık deneyleri tamamlanmış ve 28 gün kürde tutulmak üzere basınç dayanım testine tabi tutulacak silindir numuneleri alınmıştır. Yaş beton numune alım işlemini takiben beton mikseri yaklaşık 25 dakika mesafe katederek uygulama noktasına ulaşmıştır. Püskürtme beton uygulamasını yapacak olan makinenin beton beslemesi yapıldığı bölgesinde yer alan ızgara yapısı, fiber donatılı beton akışına uygun hale getirilmiştir. Bu sayede fiberlerin herhangi bir tıkanıklığa ya da topaklanmaya maruz kalmadan akışı mümkün kılınmıştır. Püskürtme beton uygulamasından alınan panel numunelerinin üzeri püskürtme işlemi tamamlanır tamamlanmaz TS EN 14488-5 standardında bahsedildiği gibi kalınlığı 10 cm olacak şekilde düzeltilmiştir ve 24 saat boyunca yerinden hareket ettirilmeden sabit halde bırakılmıştır. Numuneler ertesi gün kürlenme işlemine tabi tutulacakları alana nakledilmiş ve hem silindir numuneleri hem de panel numuneleri 28. günde sentetik fiber donatı üretici firmanın beton laboratuvarında kırıma tabi tutulmuştur. Sentetik fiber donatıların tahkimat elemanı olarak sağladığı faydalar, betonarme yapısına kazandırdığı eğilme performansı, çatlakların köprülenmesi, enerji tokluk değerlerinin artırılması, ani kırılma ve göçmelerin önlenmesi, geri sekme miktarının azaltılması, demir işçiliğine dayalı imalat, montaj hatalarının elimine edilmesi, maliyetlerin düşürülmesi ve daha güvenli bir çalışma ortamı yaratılması şeklinde sıralanabilir. Nitekim tez çalışması kapsamında söz konusu sentetik fiber donatıların farklı narinlik oranlarında betonarma yapısına kazandırdığı enerji tokluk değerileri yani bir diğer ifade ile beton yapısının parçalanana dek absorbe ettiği toplam enerji seviyeleri araştırılmış ve elde edilen sonuçlar altı başlık halinde yorumlanmıştır. Dört farklı narinlik oranının değerlendirildiği deneysel çalışma süresince narinlik oranı ve tokluk indeksi arasında lineer bir ilişki kurulabildiği sonucuna ulaşılmıştır. Öte yandan çalışmalarda kullanılan hem + serisinde sabit çap altında hem de normal seride sabit çap altında fiber boyunun artması enerji absorbsiyon seviyesinin yükselmesi şeklinde sonuçlanmıştır. Bunlara ek olarak narinlik oranı ile enerji tokluk indeksindeki maksimum tepe yük arasındaki ilişki araştırılmış ancak sonuçların neredeyse fiberli ve fibersiz tüm numunelerde benzer netice verdiği görülmüştür. Bu durum maksimum tepe yük değerinin beton matrisi ile; tokluk değerinin ise fiberli beton kompozit yapısının bir sonucu olması şeklinde yorumlanmıştır. Silindir numuneler üzerinden elde edilen basınç dayanım değerleri ve narinlik oranı arasındaki ilişki değerlendirilirken fiber donatıların basınç dayanımı üzerinde olumlu yahut olumsuz herhangi bir etki oluşturmadığı görülmüştür. Narinlik oranı ile doğrusal ilişkiye sahip birim hacimdeki fiber sayısı, kırımı tamamlanan plakların arka yüzeyinde gözle görülür şekilde ortaya çıkmıştır. Bu durum aynı zamanda çökme testinde de gözlenmiştir. Sabit uzunluk ve azalan çap etkisi incelendiğinde, artan fiber adedinin enerji tokluk indeksine pozitif yönde etki ettiği görülmüştür. Diğer bir deyişle çatlağın genişlemesini önlemek için ortamda daha fazla fiber donatı yer almış, bu sayede daha geniş bir yüzey alanı elde edilmiş ve neticesinde artan aderans ile beton daha uzun süre yük taşıyabilir hale gelmiştir. Bu netice betonun enerji yutma kapasitesinde artış olarak takip edilmiştir. Beton yoğunlukları üzerinden bir değerlendirme yapıldığında, taze betondan alınan numune ağırlığının hacme bölünmesiyle elde edilen yoğunluk değerlerinde rasyonel bir bağlantı kurulamamıştır. Yani fiber donatının beton birim ağırlığına etki etmediği sonucuna ulaşılmıştır. Enerji tokluk değerleri incelendiğinde tüm sonuçların 700 ila 1000 J arasında yani beş ve altı destek kategorisinde konumlandığı görülmüştür. Bu durum artan narinlik oranında daha düşük dozaj artışlarıyla bir üst destek kategorisi olan 1000 J değerinin arandığı 7'ye geçilebileceği şeklinde yorumlanabilir. Benzer şekilde elde edilen sonuç, narinlik oranının, beton optimizasyonu, maliyeti ve işlenilebilirliği hususlarında, önemli bir mühendislik parametresi olarak değerlendirilebileceği şeklinde değerlendirilebilir.