Fiber Takviyeli Beton Kullanım Alanları, Faydaları ve Temel Sorular

Beton, modern inşaatın temelini oluşturur ve performansındaki sürekli iyileştirmeler mühendislikte öncelikli bir odak noktasıdır. Fiber takviyeli betonun (FTB) ortaya çıkışı, bu temel malzemeye yeni bir canlılık getirmiştir. Ancak, aynı zamanda birçok soru da ortaya çıkarmaktadır: Fiberler tam olarak nedir? Makro fiberleri mikro fiberlerden ayıran nedir? Uygun fiber türü ve dozu nasıl seçilmelidir? Bu makale, fiber takviyeli betonu derinlemesine inceleyerek, pratik uygulama endişelerini ele almakta ve daha sağlam ve dayanıklı binalar inşa etmek için rehberlik sunmaktadır.

Fiberler, beton içinde sadece katkı maddeleri olmaktan ziyade, takviye malzemeleri olarak önemli bir rol oynar. ACI CT-18 (Beton Terminolojisi)'nde tanımlandığı gibi, fiberler çatlakları köprüleyerek betonu bir arada tutar ve genel performansını önemli ölçüde artırır.

Makro fiberler ve mikro fiberler arasındaki temel fark, genellikle eşdeğer çap veya lineer yoğunluk ile ölçülen boyutlarındadır. FTB endüstrisinde, lineer yoğunluk genellikle 9.000 metre fiberin kütlesini (gram cinsinden) temsil eden denye cinsinden ifade edilir.

Mikro fiberler ve makro fiberler arasındaki temel farklılıklar şunlardır:

• Sentetik fiberler: ASTM D7508/D7508M, makro fiberler, mikro fiberler ve hibrit fiberler (her ikisinin kombinasyonları) için gereksinimleri belirtir. Bu standart ayrıca çekme dayanımı ve kesme uzunluğunu ek ayırt edici özellikler olarak kullanır.
• Doğal mikro fiberler: ASTM D7357, FTB'de kullanılan selüloz fiberler için uygunluk gereksinimlerini özetlemektedir.
• Çelik fiberler: Makro fiberler olarak sınıflandırılan ASTM A820/A820M, FTB uygulamalarında çelik fiberler için minimum gereksinimleri belirler.

• Mikro fiberler: Öncelikle plastik büzülme çatlaklarını kontrol eder. Tipik dozajlarda, sıcaklık veya büzülme çatlak kontrolü sağlamazlar ve diğer beton özelliklerini de geliştirmezler. Ancak, minimum 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) dozajlarda kullanılan fibrillasyonlu mikro fiberler, sıcaklık ve büzülme çatlak kontrolü için hafif kaynaklı tel takviyesinin (WWR) yerini alabilir.
• Makro fiberler: Çatlak sonrası artık dayanım, çatlaklar boyunca yük transferi, gelişmiş dayanıklılık, eğilme tokluğu, yorulma direnci, darbe direnci ve kesme kapasitesi dahil olmak üzere beton performansını önemli ölçüde iyileştirir.

Çeşitli sentetik makro fiber türleri mevcuttur ve her birinin kendine özgü avantajları vardır. Çekme dayanımı, elastik modül, malzeme bileşimi veya şekil gibi fiziksel özelliklerin ötesinde, daha az belirgin farklılıklar arasında karıştırma performansı, topaklanma eğilimi, yüzey kalitesi ve betonla bağ özellikleri bulunur.

Başarılı sentetik makro fiber kullanımının anahtarı, hem performans gereksinimlerini hem de işlenebilirlik/sonlandırma ihtiyaçlarını karşılayan uygun dozajları seçmektir. Daha güçlü fiberler veya daha iyi bağlama özelliklerine sahip olanlar, daha zayıf alternatiflere göre daha az malzeme gerektirebilir. Üreticiler, dozaj önerilerini desteklemek için test verileri sağlamalı ve belirsizliklerin olduğu durumlarda deneme karışımları önerilmelidir.

Mikro fiberler öncelikle plastik büzülme çatlaklarını kontrol eder. Araştırmalar, tipik dozajlarda sertleşmiş betonda ihmal edilebilir yük taşıma kapasitesi sağladıklarını göstermektedir. Daha yüksek mikro fiber dozajları, artan fiber sayısı ve yüzey alanı nedeniyle karıştırmayı karmaşıklaştırabilir, potansiyel olarak işlenebilirlik sorunlarına ve önemli çökme kaybına neden olabilir.

Aynı türden daha kısa fiberlerle karşılaştırıldığında, daha uzun fiberler daha büyük yüzey alanına sahiptir, bu da sertleşmiş betonda ankrajı iyileştirir ve eşdeğer dozajlarda çatlak sonrası performansı artırır. Ancak, her fiber türü için, belirli şekle, sertlik özelliklerine ve beton basınç dayanımına bağlı olarak, optimum bir uzunluk vardır.

Yerleştirme yöntemlerini ve sonlandırma gereksinimlerini göz önünde bulunduran proje öncesi deneme karışımları, topaklanma veya yüzey fiber çıkıntısı gibi sorunları önleyerek ideal fiber uzunluklarını belirlemeye yardımcı olur.

Sentetik makro fiberler (özellikle büyük, kaba monofilamentler), dozaja bağlı olarak çelik fiberlere benzer artık dayanım sağlayabilir. Beklenen deformasyon ve çevresel koşullar gibi diğer faktörler de fiber seçimini etkilemelidir. Çelik fiberler gerektiren bazı yapısal uygulamalar için, sentetik alternatifler doğrulanmamıştır.

Sentetik makro fiberler tipik olarak çelik fiberlerden daha düşük çekme dayanımına ve elastik modüle sahip olsa da, potansiyel çatlakları köprülemek için önemli ölçüde daha fazla fiber sağlarlar. Doğru dozajlandığında, çatlaklar boyunca toplam gerilme transfer kapasitesi eşdeğer olmalıdır. Etkili kesit dayanımı ayrıca fiber-matris bağ kalitesine bağlıdır—yetersiz bağlamaya sahip yüksek mukavemetli fiberler zayıf takviye adaylarıdır. FTB performansı, bireysel fiber özelliklerinden ziyade kompozit davranışı yansıtır.

Fiber takviyeli beton (FTB), hidrolik çimento betonuna ayrık fiberler (tipik olarak 2,5 inç veya 64 mm'ye kadar) dahil eder. Fiber takviyeli polimerler (FRP), çimento veya agrega olmadan polimer matrislere gömülü önemli ölçüde daha uzun fiberler kullanır.

Gerekli fiber miktarları, belirtilen FTB performans kriterlerine bağlıdır. Plastik büzülmeyi kontrol eden mikro fiberler için, çatlak azaltma oranları (CRR), ASTM C1579'a göre dozaj belirlemesine rehberlik eder. Sertleşmiş betondaki makro fiberler için, dozajlar belirtilen artık dayanımı (ASTM C1399), çatlak sonrası eşdeğer eğilme dayanımını (ASTM C1609) veya enerji emme kapasitesini (ASTM C1550) karşılamalıdır, eleman tipi/kalınlığı, beton dayanımı, takviye özellikleri ve yükleme gereksinimleri dikkate alınarak.

Birçok tedarikçi, uygun dozajları hesaplamak için (özellikle döşemeler için) tasarım araçları sağlar.

Döşemeler için, minimum dozajlar tipik olarak, gereksinimleri veya endüstri standartlarını karşılamak için standartlaştırılmış ürün testlerine dayalı olarak üreticiler tarafından belirlenir.

Kompozit metal güverteler için ANSI/SDI C-2017, sıcaklık/büzülme kontrolü için sentetik fiberler için minimum 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) ve çelik fiberler için 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) minimum makro fiber dozajları belirtir. UL gereksinimleri altında, sentetik için 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) ve çelik fiberler için 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) üst sınırları vardır. Fiber takviyesi şu anda kompozit güverte montajlarında negatif moment çeliğinin yerini almamaktadır.

Üretici önerilerinin veya kod gereksinimlerinin altındaki dozajlar önerilmez. Mühendisler, uygulamalar veya dozajlar hakkında emin olmadıklarında fiber üreticilerine danışmalıdır.

Çeşitli yapısal uygulamalarda makro fiber takviyeli beton için tasarım kılavuzu sağlayan çeşitli kaynaklar şunlardır:

• ACI 544.4R-18: FTB ile Tasarım Kılavuzu
• ACI 360R-10: Döşeme Tasarım Kılavuzu
• ACI 322-14: Konut Betonu Kod Gereksinimleri

Fiber üreticileri ek ürün spesifik kılavuzluk sunabilir.

Makro fiber FTB özellikleri, ACI 544.4R'den onaylanmış yöntemler kullanılarak, ortalama artık dayanım (ASTM C1399) ve artık dayanım veya eşdeğer eğilme dayanımı (ASTM C1609) gibi karakteristik parametreleri hesaplamak için performansa dayalı ve uygulamaya özel olmalıdır.

• Örnek özellik: "Fiber dozajı, 4.000 psi (28 MPa) betonda minimum 200 psi (1.4 MPa) artık dayanım sağlamalıdır." Uygunluk, ilgili ASTM standartlarına göre üretici test verileri aracılığıyla doğrulanmalıdır.
• Püskürtme beton için, fiber takviyeli püskürtme beton (FRS) performansı, enerji emme kapasitesi (ASTM C1550 veya EN 14488-5) ile belirlenir. Örnek özellik: "Fiber dozajı, 4.000 psi (28 MPa) püskürtme betonda 7 günde minimum 280 J enerji emilimi sağlamalıdır."

Artık Dayanım: Temel FTB Performans Metriği

FTB'nin çatlak sonrası performansı, ASTM C1609, C1399 veya C1550 (enerji emilimi) aracılığıyla değerlendirilebilir. Mühendisler, tasarım amacına ve gerekli performans seviyelerine göre uygun değerleri belirlemeli, rehberlik için ACI 544.4R'ye başvurmalıdır.

Belirli fiberler (örneğin, çelik), maruz kalan ortamlarda beton yüzeylerine yakın olduğunda aşınabilir. Bu tür yerelleşmiş korozyon yapısal bütünlüğü tehlikeye atmasa da, estetik etkisi önceden değerlendirilmelidir. Sentetik ve doğal fiberler aşındırıcı değildir ve kimyasal olarak inerttir, çevresel koşullardan etkilenmez.

Fiberler tipik olarak betonun ilk çatlak eğilme dayanımını (kırılma modülü, ASTM C78) artırmasa da, döşeme eğilme kapasitesini ve yorulma dayanımını artırır. Uygun fiber spesifik tokluk değerleri, tasarım yüklerini desteklemek için daha ince beton kesitlerini sağlar.

ANSI/SDI C-2017, kaynaklı tel takviyesinin (WWR) yerini almak üzere, çatlak kontrolü için (minimum gereksinimleri karşılayan üretici tarafından belirlenen dozajlarda) çelik veya sentetik makro fiberlere izin verir, yapısal gerilme direncine değil.

Fiber "Tüylenmesi": Nedenleri ve Çözümleri

Bu tarihsel sorun, öncelikle yanlış sonlandırma teknikleri kullanıldığında sentetik mikro fiberlerde meydana gelmiştir. Modern monofilament mikro fiberler (tipik olarak 1.0–1.5 lb/yd³ veya 0.6–0.9 kg/m³ ile sınırlıdır) ve makro fiberler bu etkiyi en aza indirir. Uygun karıştırma, yerleştirme ve sonlandırma mükemmel yüzeyler üretir. Yüzey fiber çıkıntısı döşeme bütünlüğünü tehlikeye atmaz—estetik kaygılar ortaya çıkarsa, gül tomurcuğu meşaleleri maruz kalan fiberleri eritebilir.

Bazı sentetikler (örneğin, naylon) küçük miktarlarda karışım suyu emerken, yaygın polipropilen/polietilen fiberler hidrofobiktir. Daha yüksek dozajlarda görünen çökme azalması, fiberlerin su emiliminden ziyade kohezif ajanlar olarak hareket etmesinden kaynaklanır.

Su eklemek beton dayanımını azaltır. Yüksek fiber içeriği işlenebilirliği etkilediğinde, ek su yerine kimyasal katkı maddeleri kullanılmalıdır.

İdeal ekleme noktaları, fiber şekline, sertliğine ve dozajına göre değişir—bazıları ilk bileşenler olarak en iyi performansı gösterir, diğerleri tüm malzemeler yüklendikten sonra. Üreticiler rehberlik sağlayabilir, optimal ekleme zamanlamasını ve karıştırma süresini belirlemek için proje öncesi denemeler önerilir.

Normal beton için, tüm bileşenler eklendikten sonra 4–5 dakika karıştırma, hazır karışım işlemleri için tipik olarak önerilir.

Tüm fiber türleri, yetersiz karıştırma, yanlış sıralama veya fiberleri kaplamak için yeterli ince malzemeden yoksun aşırı kuru karışımlara eklenmesi nedeniyle topaklanabilir. Proje öncesi denemeler, karışımın amaçlanan fiber türü ve dozajı ile uyumluluğunu doğrulamaya yardımcı olur.

Çökme etkileri şunlara bağlıdır:

Fiber sayısı ve dozajı (daha yüksek dozajlar etkiyi artırır)

• Toplam fiber yüzey alanı (daha büyük alan etkiyi artırır)
• Çökme konisi ölçümlerinin, mutlaka gerçek işlenebilirliği değil, karışım tutarlılığını gösterdiğini unutmayın. Görsel çökme azalmış gibi görünse de, gerçek işlenebilirlik daha az etkilenebilir. Proje öncesi denemeler, işlenebilirlik ayarlamalarının gerekli olup olmadığını belirler.
• Mikro fiberler, eşdeğer uzunluk-çap oranlarında ve dozajlarda, pound başına daha yüksek fiber sayısı nedeniyle makro fiberlerden daha fazla çökme etkileyebilir. Genel olarak:

Sentetik mikro fiberler (1.0–3.0 lb/yd³ veya 0.6–1.8 kg/m³): 1–3 inç (25–75 mm) çökme kaybı

Sentetik makro fiberler (3.0–10.0 lb/yd³ veya 1.8–6.0 kg/m³) veya çelik fiberler (15–50 lb/yd³ veya 9–29.6 kg/m³): 1–5 inç (25–125 mm) çökme kaybı

• Plastifiyanlar (orta veya yüksek aralıklı su azaltıcılar) çökme kaybını telafi etmelidir. Yüksek dozajlarda, yeterli macun içeriğini sağlamak için karışım ayarlamaları gerekli olabilir. Dayanım azalmasını ve segregasyonu önlemek için aşırı sudan kaçının.
• Fiberin Diğer Özellikler Üzerindeki Etkisi: Hava İçeriği ve Basınç Dayanımı

Makro fiberler genellikle hava içeriğini veya basınç dayanımını olumsuz etkilemez. Algılanan değişiklikler genellikle aşırı karıştırmadan, eklenen sudan, sıcaklık değişimlerinden veya agregalardaki yanlış nem ölçümünden kaynaklanır. Hava dalgalanmaları ayrıca gerçek çökme değişiklikleriyle de ilgili olabilir. Bazı tarihsel fiber yüzey işlemleri istenmeyen hava sokabilir, ancak bu artık nadirdir.

Birim ağırlık değişiklikleri, fiber türüne ve karışım tasarım ayarlamalarına bağlıdır. Sentetik fiberler, hava içeriği sabit kalırsa tipik olarak birim ağırlığı değiştirmez. Daha yüksek yoğunluklu çelik fiberler, hacim fraksiyonuna ve karışım ayarlamalarına bağlı olarak birim ağırlığı artırabilir.

Normal ağırlıklı betonda, uygun şekilde orantılanmış ve karıştırılmış fiberler, malzeme özgül ağırlığı ve karışık beton viskozitesi nedeniyle ne yüzer ne de batar. Fiberler aslında daha büyük agregaları askıda tutmaya ve segregasyonu önlemeye yardımcı olur.

Genel olarak uyumludur, ancak bazı fiber işleme yardımcıları veya eğirme bitişleri diğer beton kimyasallarını etkileyebilir. Her zaman fiber üreticileri ile doğrulayın.