Fiber{0}}güçlendirilmiş beton (FRC), matris olarak çimento hamuru, harç veya beton ve takviye olarak fiberlerden oluşan çimento-bazlı kompozit malzemeyi ifade eder. Fiber beton olarak da bilinen fiber-takviyeli beton, tipik olarak matris olarak çimento hamuru, harç veya beton ve takviye olarak süreksiz kısa fiberler veya sürekli uzun fiberlerden oluşan çimento- bazlı bir kompozit malzemeyi ifade eder. Lifler matris betondaki çatlakların daha da gelişmesini kontrol edebilir, böylece çatlak direncini artırabilir. Liflerin yüksek çekme mukavemeti ve uzaması, betonun çekme, eğilme ve darbe mukavemetini, uzamasını ve tokluğunu arttırır. Başlıca lifli beton türleri arasında asbestli çimento, çelik lifli beton, cam lifli beton, polipropilen lifli beton, karbon lifli beton, bitkisel lifli beton ve yüksek elastik modüllü sentetik lifli beton bulunur. Liflerden ve çimento- bazlı malzemelerden (çimento macunu, harç veya beton) oluşan kompozit malzemeler için genel bir terimdir. Çimento hamuru, harç ve betonun ana dezavantajları düşük çekme dayanımı, düşük nihai uzama ve kırılganlıktır. Bu dezavantajlar, yüksek çekme mukavemetine, yüksek nihai uzamaya ve iyi alkali direncine sahip liflerin eklenmesiyle aşılabilir.
Liflerin Betondaki Rolü:
Sıradan beton kırılgan bir malzemedir ve yüklenmeden önce zaten çok sayıda mikro çatlak barındırır. Artan dış kuvvetler altında, bu mikro çatlaklar yavaş yavaş genişler ve sonunda makro çatlaklar oluşturarak malzeme hasarına yol açar. Uygun miktarda elyafın eklenmesi, mikro çatlakların büyümesini önler ve inhibe eder, takviyesiz çimento matrisine kıyasla kompozit malzemenin çekme ve bükülme mukavemetlerini ve ayrıca kırılma enerjisini önemli ölçüde artırır. Çeşitli lif türleri betonun geçirimsizliğini, donma-çözülme direncini, klorür iyonu nüfuz etme direncini ve karbonatlaşma direncini değişen derecelerde iyileştirir. Elyaf-takviyeli betonda öncelikle belirli bir en boy oranına (lif uzunluğunun çapa oranı) sahip kısa lifler kullanılır. Ancak bazen uzun elyaflar (cam elyaf fitil ve polipropilen elyaflı film gibi) veya elyaf ürünleri (cam elyaf ağ ve cam elyaf keçe gibi) kullanılır. Nihai gerilme mukavemeti %30-50 oranında artırılabilir. Lif takviyeli betondaki lifin temel işlevi, dış kuvvetler altında çimento matrisindeki çatlakların büyümesini sınırlamaktır. Yüklemenin ilk aşamasında (germe ve bükme), bileşenler uygun olduğunda ve uygun bir yüksek{13}}verimli su-indirgeyici madde eklendiğinde, çimento esası ve lifler dış kuvveti birlikte taşır; birincisi dış kuvvetin ana taşıyıcısıdır; taban çatladığında çatlakların karşısındaki lifler dış kuvvetin ana taşıyıcıları haline gelir. Elyafın hacim içeriğinin belirli bir kritik değeri aştığını varsayalım. Bu durumda, kompozit malzemenin tamamı daha yüksek yüklere dayanmaya devam edebilir ve fiberler kırılana veya temel malzemeden çekilip kompozit malzemeyi tahrip edene kadar daha büyük deformasyonlar üretebilir. Sıradan betonla karşılaştırıldığında, elyaf takviyeli beton daha yüksek nihai çekme ve eğilme dayanımına, özellikle de tokluktaki iyileşmeye sahiptir.
Liflerin Ortak Sınıflandırmaları
Lifler malzeme özelliklerine göre sınıflandırılabilir:
① Çelik fiberler (çelik fiberle güçlendirilmiş beton) ve paslanmaz çelik fiberler (ısıya-dirençli beton için uygun) gibi metal fiberler.
② İnorganik lifler, özellikle doğal mineral lifler (krizotil, krosidolit, amosit vb.) ve insan-yapımı mineral lifler (alkali-dirençli cam lifleri, alkaliye-dirençli mineral yün gibi karbon lifleri).
③ Organik lifler, özellikle sentetik lifler (polietilen, polivinil alkol, naylon, aromatik poliimid vb.) ve bitki lifleri (sisal, agav vb.). Sentetik elyaf takviyeli beton, sıcaklığın 60 dereceyi aştığı ortamlarda kullanılmamalıdır.
Elastik modüllerine bağlı olarak lifler iki ana kategoriye ayrılabilir:
Elastik modülü çimento matrisinden daha küçük olan elyaflara, polipropilen elyaflar, naylon elyaflar ve selüloz elyaflar dahil olmak üzere esnek elyaflar denir.
Elastik modülü matrisinkinden daha büyük olan fiberlere, çelik fiberler, cam fiberler ve karbon fiberler gibi sert fiberler denir.
Yaygın Beton Lifleri ve Özellikleri
Çelik Elyaf
Sıradan betonun içine uygun miktarda çelik lif katılarak formüle edilen betona çelik lifli beton veya çelik lif takviyeli beton adı verilir. Sıradan betonla karşılaştırıldığında çekme mukavemeti, eğilme mukavemeti, aşınma direnci, darbe direnci, yorulma direnci, tokluk, çatlama direnci ve patlama direnci önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Yüksek-tel kesim-uç kanca-tipi fiberler, külçeyle frezelenmiş-uç kanca-tipi fiberler, kesilmiş özel-şekilli fiberler ve düşük-alaşımlı çelik eriyik-çekilmiş fiberler, beton matrisiyle daha iyi bağlanmaları, çatlakları önemli ölçüde önlemeleri, betonu güçlendirmeleri ve betonu sertleştirmeleri nedeniyle mühendislik projelerinde yaygın uygulama kazanmaktadır.
Avantajları ve Dezavantajları
Çelik elyafın teknik avantajı betonun tokluğunu ve çekme mukavemetini artırma yeteneğidir. Bununla birlikte, çelik lifler karıştırma sırasında topaklanma eğilimi gösterir, bu da işlenebilirliğin zayıf olmasına, pompalamanın zor olmasına, inşaatın zor olmasına ve paslanmaya karşı duyarlılığa neden olur. Ayrıca çelik lifli beton ağırdır ve önemli miktarda çelik üretimi gerektirir, bu da çelik tüketimini ve maliyetleri artırır. Kullanım sırasındaki çelik lif kopmasının ana şekli, kırılmak yerine dışarı doğru çekilmesidir, bu da çelik liflerin betona yapışmasının yetersiz olduğunu gösterir, bu da betonun çekme dayanımının iyileştirilmesini etkileyecektir. Sertleştirme ve güçlendirme ilkesi, çatlaklar oluştuğunda çeliğin yüksek modülünün ve tek bir elyafın yüksek çekme mukavemetinin çatlakların daha da gelişmesini engellemesidir; ancak sayının sınırlı olması nedeniyle mikro çatlakları sınırlama etkisi önemli değildir ve -sızıntı önleme, donma-çözülme ve diğer özelliklerin iyileştirilmesi açık değildir. Ayrıca inşaat sırasında çelik liflerin yoğunluğu çok yüksektir ve titreşim ve dökme sırasında sıklıkla betonun dibine çökerek bunların eşit şekilde dağıtılmasını imkansız hale getirir. Teorik araştırma sonuçlarının iyi olmasının ana nedeni budur, ancak gerçek uygulama etkileri büyük ölçüde farklılık göstermektedir.
Karbon Elyaf
Karbon fiberBetonun fiziksel ve mekanik özelliklerini geliştirmek için karbon fiberlerin çimento matrisi içerisinde eşit şekilde dağıldığı kompozit bir malzemedir. Karbon fiber betonun temel özellikleri arasında, geleneksel betonarmede bulunmayan mükemmel mekanik özellikler, su geçirmezlik ve doğal sıcaklık dalgalanmalarına karşı direnç yer alır. Aynı zamanda yüksek alkali ortamlarda kararlı kimyasal özellikler, uzun-uzun süreli mekanik dayanıklılık ve boyutsal kararlılık sergiler.
Çeliğin karbon fiberle değiştirilmesi, betonarmede tuzlu suyun neden olduğu bozulmayı ve bozulmayı ortadan kaldırır, bina bileşenlerinin ağırlığını azaltır, kurulum ve inşaatı kolaylaştırır ve inşaat programlarını kısaltır. Karbon fiber ayrıca titreşimi-sönümleme özelliklerine sahiptir, şok dalgalarını emer ve sismik direnci ve bükülme mukavemetini on kattan fazla artırır. Karbon fiber beton, yüksek çekme mukavemeti, eğilme mukavemeti, kırılma direnci ve korozyon direnci sergiler. Düşük genleşme katsayısı nedeniyle karbon fiber beton mükemmel ısı direnci ve minimum termal deformasyon gösterir.
Karbon fiberin karbon fiber betondaki temel işlevi, beton içindeki mikro çatlakların yayılmasını önlemek ve makro çatlakların oluşmasını ve gelişmesini önlemektir. Bu nedenle, esas olarak ana çekme gerilimi tarafından kontrol edilen çekme mukavemeti ve kesme, bükülme ve burulma mukavemetleri önemli ölçüde iyileştirilir; aynı zamanda yüksek bir matris deformasyon direncine sahiptir, böylece çekme, bükülme ve darbe dayanıklılığını artırır. Karbon fiber hacim oranı %1,18 olduğunda numunenin yarmada çekme mukavemeti %1,2 oranında artar. Bileşik kuralına göre çimentodaki lif içeriğinin artmasıyla birlikte karbon lifin takviye edici etkisi de artmalıdır. Karbon fiberin ağırlık yüzdesi %5'ten az olduğunda bu ilişki neredeyse doğrusaldır. İçerik daha da arttığında, karbon elyafın matris içinde eşit şekilde dağılması zorlaşır ve takviye etkisi sağlanamaz, hatta karbon elyaflı betonun çekme mukavemeti azalır. Ayrıca karbon fiber beton ayrıca iyi korozyon direncine, geçirgenlik direncine, aşınma direncine, büzülme direncine ve dayanıklılığa sahiptir.
Fiberglas
Cam elyaf takviyeli beton (GFRC), yüksek elastik modüle sahip alkaliye-dirençli cam elyafların çimento harcı veya geleneksel beton boyunca eşit şekilde dağıtılmasıyla yapılan kompozit bir malzemedir. Cam elyafın çapı yalnızca 5 ila 20 μm (çimento parçacıklarıyla hemen hemen aynı) olduğundan, GFRC'de kullanılan bağlayıcı neredeyse hiç kaba agrega içermeyen çimento hamuru veya ince kumdur. Bu nedenle bu malzemeyle yapılan kompozit malzemelere betonarme çimento da denilmektedir. GFRC inşaat mühendisliğinde gelecekteki bir gelişme trendidir. Geleneksel beton ürünlerinin ağır ağırlık, düşük çekme dayanımı ve zayıf darbe dayanımı gibi eksikliklerinin üstesinden gelmekle kalmıyor, aynı zamanda geleneksel betonda bulunmayan özelliklere de sahip. GFRC ürünleri daha ince ve daha hafiftir. Takviye olarak son derece yüksek çekme dayanımına sahip cam elyaf kullandıklarından yüksek çekme dayanımına sahiptirler. Cam elyafların beton içerisinde eşit dağılımı yüzey çatlamasını önler. Hasar sırasında önemli miktarda enerji emdikleri için mükemmel darbe direnci ve yüksek eğilme mukavemeti sergilerler. GFRC ürünleri ayrıca mükemmel kalıptan çıkarma özellikleri sunar ve işlenmesi kolaydır, bu da onları çeşitli şekillere kolayca uyarlanabilir hale getirir.
Polipropilen Elyaf Beton
Polipropilen fiber beton, matrisin fiziksel ve mekanik özelliklerini geliştirmek için belirli bir uzunluğa kesilmiş polipropilen fiberlerin bir çimento harcı veya geleneksel beton matrisi içerisinde eşit şekilde dağıtılmasıyla yapılan kompozit bir malzemedir. Bu fiber-takviyeli beton, hafiflik, yüksek çekme mukavemeti, darbe ve çatlamaya karşı direnç gibi avantajlar sunar. Polipropilen lifler ayrıca betonun ağırlığını azaltmak için kısmen çelik takviyenin yerini alabilir ve böylece yapının sismik direncini artırabilir.
Polipropilen lifli beton en çok araştırılan ve uygulanan betondur. Lif şekline ve yapısına bağlı olarak polipropilen lifler, monofilamentler, paralel fibrilasyonlu lif demetleri ve film lifleri olarak sınıflandırılabilir. Monofilamentler yüksek en-boy oranına sahipken, paralel fibrilasyonlu lif demetleri çimento matrisi içerisinde kolaylıkla dağılabilir. Kimyasal bağlanma sınırlı olsa da mekanik bağlanma güçlüdür ve liflerin stres altında çekilmesini önler.
Polipropilen lifler geleneksel betona göre daha yüksek çekme dayanımına sahipken, elastik modülleri nispeten düşüktür, bu da onları yüksek gerilim koşulları altında aşırı deformasyona yatkın hale getirir. Ancak uygun miktarda polipropilen elyaf eklendiğinde bu kompozit malzemenin darbe dayanımı sıradan betona göre çok daha fazladır. Bu, düşük yüklü ancak yüksek darbe direncine ve tokluğa sahip bileşenler üretmenin çok umut verici bir yolunu buldu. Ayrıca polipropilen elyaf paslanmaya- dayanıklıdır ve iyi asit ve alkali direncine sahiptir.
Bazalt Elyaf
Sürekli bazalt elyaf (CBF), saf doğal volkanik ekstrüzif kayadan yapılmış inorganik bir elyaf malzemesidir. 1450-1500 derece yüksek sıcaklıkta eritildikten sonra hızla çekilir. Altın kahverengi bir görünüme, mükemmel kapsamlı performansa ve düşük bir fiyata sahiptir.
Bazalt elyafın özellikleri:
(1) Hammaddelerin doğallığı. CBF üretiminin hammaddesi doğal volkanik ekstruzif kayaya dayandığından, doğası gereği yüksek kimyasal ve termal stabiliteye sahip olmasının yanı sıra insan sağlığına zararlı hiçbir bileşen içermemektedir.
(2) Kapsamlı performans. Bazalt lifi gerçek anlamda "çok-işlevli" bir liftir. Örneğin, asit-dayanıklı, alkaliye-dayanıklı, düşük-sıcaklığa-dayanıklı, yüksek-sıcaklığa-dayanıklı, ısı-yalıtımlı, elektrik yalıtımlı ve ses-yalıtımlıdır. Çekme mukavemeti büyük{13}çekilmiş karbon fiberlerinkini aşar ve kopma uzaması küçük{14}çekilmiş karbon fiberlerden daha iyidir. CBF, reçine ile birleştirildiğinde polar bir yüzeye ve mükemmel arayüzey ıslanabilirliğine sahiptir. CBF ayrıca, diğer mükemmel kapsamlı özelliklerin yanı sıra, tek boyutlu moleküler boyutlara sahip doğrusal polimer fiberlerle karşılaştırıldığında daha yüksek basınç dayanımına, kayma dayanımına, zorlu ortamlara uyum sağlamaya ve yaşlanma direncine sahip olan üç{17}boyutlu moleküler boyutlara da sahiptir.
(3) Düşük maliyet. Çimento betonunda kullanılan bazalt elyafın fiyatı yüksek değildir; çelik elyaf, karbon elyaf vb. fiyatlarından önemli ölçüde daha düşüktür ve sentetik elyaflarla karşılaştırılabilir.
(4) Doğal uyumluluk. Bazalt lifi tipik bir silikat lifidir. Çimento, beton ve harçla karıştırıldığında dağılması kolaydır. Taze karıştırılmış bazalt lifli beton, sabit hacme, iyi işlenebilirliğe ve iyi dayanıklılığa sahiptir. Mükemmel yüksek-sıcaklık direncine, anti-sızıntı ve çatlama direncine ve darbe direncine sahiptir. Ayrıca bazalt lifi, alkaliye-dirençli cama göre alkaliye-daha dayanıklıdır.
Lif-Betonarme Uygulamaları
Elyafla güçlendirilmiş beton, inşaatçının ve inşaatçının malzemenin statik ve dinamik özelliklerinden yararlanma becerisine bağlı olarak çeşitli uygulamalarda kullanılır. Bazı uygulamalar arasında pistler, otoparklar, kaldırımlar, tünel kaplamaları, şev stabilitesi, kabuklar, duvarlar, borular, rögar kapakları, barajlar, hidrolik yapılar, viyadükler, yollar, köprüler ve depo zeminleri yer alır.
Lif, betonun performansını ve dayanıklılığını arttırmada hayati bir rol oynar. İster çelik elyaf, ister cam elyaf, polipropilen elyaf veya doğal elyaf olsun, her türün benzersiz avantajları vardır ve farklı inşaat ihtiyaçlarına uygundur. Mühendisler, lif tipini ve dozajını doğru bir şekilde seçerek yalnızca betonun çatlama direncini, sağlamlığını ve uzun vadeli gücünü-etkili bir şekilde artırmakla kalmaz, aynı zamanda sonraki bakım maliyetlerini de önemli ölçüde azaltır. İnşaat teknolojisi ilerlemeye devam ettikçe, elyafla güçlendirilmiş beton-daha güçlü, daha güvenli ve daha sürdürülebilir yapılar oluşturmak için temel bir çözüm haline geliyor.
