Betonda Sentetik Elyaf ve Fiber Kullanımı

Beton sentetik elyaf ve fiber ürünleri çeyrek yüzyıllık bir malzeme olmasına rağmen, arka planda yüzyıllardır kullanılmış olan doğal elyaf, bitkisel ve hayvansal ürünlerinin günümüz teknolojisi ile yorumlanmış bir durumudur. Son 20-30 yıllık süreç içerisinde fiberlerin,
hazır beton, prekast beton ve shotcrete içerisinde kullanımına olan ilginin sürekli arttığı görülmektedir. Fiber donatılı beton ayrık, süreksiz fiberler ile Portland çimentosu, su ve agregadan oluşmaktadır. Bu bağlamda akla şu soru gelebilir; fiberler ne amaçla betona
eklenmektedir? Donatısız bir beton düşük çekme mukavemetine ve düşük şekilde değiştirme özelliğine sahiptir. Dolayısıyla da gevrek bir özelliktedir. Betona rastgele,
üniform bir şekilde yayılan fiberler meydana gelen çatlak kesitleri boyunca köprü görevi görerek çatlak sonrasında betona ekstra bir dayanıklılık sağlamaktadır. Fiberler; metal, sentetik, cam elyaf ve doğal malzemelerden oluşturulabilmekte olup, farklı şekiller, boyutlar ve kalınlıklarda üretilebilmekte ve hazır betona karışım esnasında eklenmektedir. Temel prensiplerin aynı olmasına karşın, demir donatılı ve fiber donatılı beton arasında bir takım farklılıklar bulunmaktadır:

1. Fiberler betonda bir kesitin tamamına yayılırken; metal donatılar, sadece istenilen yerlere, hesaplanan miktarda yerleştirilirler.
2. Fiberlerin çoğu küçük boyutlu ve aralıkları oldukça sıkışıktır. Buna karşın demir donatılar daha az yoğunlukta ve daha aralıklı olarak kesite yerleştirilir.

Fiberlerin betona olan en önemli katkısı, betonun tokluğunu (enerji yutma kapasitesi) önemli miktarda arttırmasıdır. Donatısız beton ile fiber donatılı betona ait tipik bir yük-deformasyon eğrisi aşağıda gösterilmektedir. Fiberler betona düşük dozajlarda eklenir ve betonda meydana gelen plastik rötre çatlaklarının azaltılmasında oldukça etkilidir.

Özet olarak fiber kullanımı ile betonun dayanıklılığı (durabilite), tokluğu (enerji yutma kapasitesi), çekme, darbe, donma-çözünme ve yorulma dayanımı arttırılabilmektedir.

Bu kapsamda dikkat edilmesi gereken husus, fiberlerin betonun çekme dayanımına olan katkısı veya eğilme altında gösterdiği mukavemete olan katkısı düşük olmaktadır. Eğer esas amaç betonun eğilme altındaki mukavemetine katkı sağlamak ise çözüm fiberler olmayacaktır. Yukarıdaki grafikte de görülebileceği gibi fiberlerin betona olan etkisi en fazla beton çatladıktan sonra, yani beton maksimum çekme mukavemetine ulaştıktan sonra görülecektir. Fiberler betona hacimce %1-2 oranında eklenmektedir. Fiber donatılı betonun özelliklerini etkileyen önemli bir unsur malzemenin cinsi yanı sıra fiberin boyunun çapına olan (L/d – Aspect Ratio) oranıdır. Bu oran arttıkça betonun çekme ve eğilme altındaki mukavemeti artmakta fakat bir eşik değerden sonra mukavemet değerlerinde azalmalar meydana gelmektedir. Bu kapsamda bu oranın uygun bir şekilde belirlenmesiyle proje sahiplerine ekonomik çözümler üretilebilmektedir. Diğer bir karakteristik özellik ise eşdeğer eğilme dayanımı oranı (Re3 – Equiva-lent Flexural Strength Ratio) değeridir. Bu parametre fiber tipi ve dozajına göre değişmekte ve kesit hesaplarında kullanılmaktadır. Bu nedenle bu değerin uygun bir şekilde tayini hesaplardan elde edilecek olan sonuçlarda güvenilirliği arttıracaktır. Tipik bir endüstriyel yapı zemin betonu kalınlığı hesaplanırken kullanılacak
elyafın tipi, zemin yatak katsayısı, Re3 değeri, betonun elastisite modülü, fiber dozajı gibi parametreler ön plana çıkmaktadır.

Fiberlerin Tipleri, Özellikleri ve Beton Üzerindeki Etkileri

İnşaat sektöründe yaygın olarak kullanılan bazı fiber tipleri ve bu fiberlerin özellikleri aşağıda belirtilmektedir.

Cam Elyaf

Cam elyaf donatılı betonlar, beton içerisine eklenmiş yüksek mukavemetli ve alkali dayanımlı cam elyaflardan oluşmaktadır. Cam elyafları çelik fiberlere göre daha hafiftir ve genel olarak betona 2,0 ile 6,0 kg/m3 dozajlarında eklenmektedir. Kullanılan cam elyaf
tipleri şu şekildedir:

• A-Glass (Alkali-Lime Glass)
• E-CR-Glass (Electrical/Chemical Resistance)
• C-Glass (Alkali-lime glass)
• D-Glass (Borosilicate Glass)
• R-Glass (Alumino silicate glass)
• S-Glass (Alumino silicate glass/Yüksek çekme mukavemeti)Cam elyafların alkali ortamlarda kullanılması problem
  olmakta, alkali ortamlarda cam elyaflar yapısal olarak bozulmaktadır. Beton ise oldukça yüksek bir alkali ortam içermektedir. Bu nedenle alkali ortama dayanıklı fiberler (AR-Glass Fiber) geliştirilmiştir ve betonda da bu tip fiberler kullanılmaktadır.

Elyaflar (Mikro Elyaf Grubu)

Sentetik elyaflar polipropilen, naylon veya polietilen gibi polimer esaslı malzemelerden üretilmektedir. Bunlar arasında en yaygın kullanıma sahip olan fiber tipi betona herhangi bir kimyasal tesiri olmayan, suda çözün-mez, düşük elastisite modülü ve hafif ağırlığı ile polipropilen fiberlerdir. Sentetik fiberlerde diğer fiber tipleri gibi betona karışım esnasında veya karışımdan önce eklenebilmekte ve betonun permeabilitesini, rötre çat-laklarını, buna ek olarak oturma çatlaklarını da azaltmakta ayrıca darbe ve aşınma direncini arttırmaktadır. Sentetik fiberler tüm beton katkıları, silis dumanı ve çimento kimyasalları ile uyumlu bir yapıdadır. Ayrıca bazı sentetik fiberler ikincil donatı olarak da kullanılabilmektedir. Betonda kullanım miktarları 0.75 – 1.8 kg/m2 mertebelerindedir.

Metal Fiberler

Metal fiberler genel olarak havalimanı kaplamaları ile pist ve taksi yolu katmanlarında kullanılır. Bunun yanında özellikle tünel kaplaması ve kaya şev stabilizasyonlarında shotcrete içerisinde, endüstriyel yapıların zemin döşemelerinde, karayolu kaplamalarında
kullanılabilmektedir. Çelik fiberler oldukça yüksek elastisite modülüne sahiptir. İçinde bulundukları beton matrisine mekanik olarak kenetlenmeleri uçlarındaki kanca yapılarıyla arttırılabilir. Bunların yanı sıra doğal ve karbon fiberlerde kullanılmaktadır. Doğal fiberler yerel işgücü ve teknolojisi ile düşük maliyet, düşük bir enerji kullanımı ile elde edilebilmektedir. Jüt, Hindistan cevizi lifi ve bambu gibi doğal elyaf tipleri bulunmaktadır. Doğal elyaflar düşük elastisite modülüne sahiptir ve yüksek darbe dayanımına sahiptir.

Sonuç

Özetle beton elyafları fabrika, depo ve endüstriyel yapıların zemin betonlarında, havaalanı pist ve taksi yolları kaplamalarında, beton yollarda, saha betonlarında, yeraltı yapılarında, tünellerde vb. bir çok alanda işverenler için güvenilir, kaliteli ve ekonomik mühendislik
çözümleri üretilmesine olanak sağlamaktadır.