Çoklu çatlak davranışı gösteren farklı polimerik lifli çimento esaslı kompozitlerin mikromekanik tabanlı tasarımları ve kıyaslanması

Abstract

Çimento esaslı matrislerin gevrek yapısını “çoklu çatlama mekanizması” ile azaltmaya yönelik çalışmalar, dayanıklı ve sürdürülebilir yapıların tasarımı açısından son yıllarda önem kazanmaktadır. Bu bağlamda çimento esaslı matrislerle uyumlu mikro polimerik lif kombinasyonları ile kompozitler tasarlanmıştır (patent ismi, Engineered Cementitious Composites – ECC). ECC, çoklu çatlama mekanizması ile çekme gerilmesi altında düktil davranan yeni nesil bir kompozit olarak tanımlanabilir.

Bu tez kapsamında öncelikle ECC için geliştirilen mikromekanik tasarım teorisi hakkında detaylı bir literatür taraması yapılmıştır. ECC tasarımında; S/B oranı, mineral katkı tipi, lif türü, matris reolojisi, lif dağılımı ve maksimum kusur boyutu gibi parametrelerin kompozitlerin mekanik performansı ve çatlama davranışı üzerindeki etkileri bütüncül bir yaklaşımla incelenmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında lif türüne göre değişen S/B oranlarında, 3 farklı polimerik lif (PE, PVA ve HTPP) ve 2 farklı mineral katkı (Öğütülmüş Yüksek Fırın Cürufu ve Uçucu Kül) kullanılmıştır. 20 farklı ECC’de (6 PE-ECC, 8 PVA-ECC ve 6 HTPP-ECC) mekanik performans, istatistiksel analiz, maliyet, karbon ayak izi, gömülü enerji başlıkları altında değerlendirmeler yapılmıştır.

Lif-matris etkileşimini araştırmak için ECC tasarımında kullanılan “köprüleme gerilmesi - çatlak açıklığı” ilişkileri çıkartılmıştır. Çekme numunelerin göçme kesitindeki lif dağılım katsayıları, SEM ve floresans mikroskopu yardımıyla belirlenmiştir. Aynı çekme numuneleri çekme yönüne dik olarak dilimlenip kesitlerdeki maksimum doğal kusur boyutları optik mikroskop ile ölçülmüştür. Matris reolojisinin, göçme kesitindeki lif dağılım katsayısının ve maksimum doğal kusur boyutu dağılımının çekme performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Numunelerin maksimum çekme gerilmesi anındaki yüzey görüntülerinden DIC tekniği ile çatlak analizleri gerçekleştirilmiş ve çatlak genişliği histogramları oluşturulmuştur. Son olarak kompozitlerin çekme performansları ile basınç dayanımları arasındaki ilişkiler araştırılmıştır.

Alternate abstract:

In recent years, studies focusing to reduce the brittleness of cement-based matrices via “multiple cracking mechanism” have gained importance from the view point of durable and sustainable structural design. In this context, composites were designed with micro polymeric fiber combinations that are compatible with cementitious matrices (patent name, Engineered Cementitious Composites – ECC). ECC can be defined as a new generation composite that exhibit ductile behavior under tensile stress thanks to its multiple cracking mechanism.

Within the scope of this thesis, a detailed literature review was performed on the micromechanical design theory developed for ECC. In ECC design; the effects of parameters such as W/B ratio, mineral additive type, fiber type, matrix rheology, fiber distribution and maximum flaw size on the mechanical performance and cracking behavior of the composites were investigated with a holistic approach. Within the scope of the experimental studies, 3 different polymeric fibers (PE, PVA and HTPP) and 2 different mineral additives (Ground Blast Furnace Slag and Fly Ash) were used in varying W/B ratios depending on the fiber type. Discussions have been performed on mechanical performance, statistical analysis, cost, carbon footprint and embedded energy of 20 different ECC mixtures (6 PE-ECC, 8 PVA-ECC and 6 HTPP-ECC).

In order to investigate the fiber-matrix interaction, the “bridging stress - crack opening” relationships of ECCs were determined. The fiber distribution coefficients at the failure section of the tensile specimens were determined with the aid of SEM and fluorescence microscopy. The same tensile specimens were sliced perpendicular to the tensile direction and the maximum natural flaw sizes at each section were measured with an optical microscope. Crack analyzes were performed with DIC technique from the surface images of the samples at the moment of maximum tensile stress and crack width histograms were plotted. Finally, the relationships between the tensile performance and compressive strength of composites were investigated.