Dayanıklılık İçin Betonun Plastik ve İnşaat Yıkıntı Atıkları ile Güçlendirilmesi

Scientific Reports’ta yayımlanan yeni bir makalede, atık plastik lifler ve işlenmiş inşaat yıkıntı atıkları içeren betonun mekanik ve dayanıklılık özellikleri incelendi. Makalede, beton takviyesi olarak kullanılan elle parçalanmış plastik liflerin, polietilen (PE) torbalar ve polietilen tereftalat (PET) şişelerden elde edildiğinden bahsedilmektedir.

Giriş

En yaygın yapı malzemesi olan beton, mukavemeti, uzun ömürlü yapısı ve özelleştirilebilir tasarım kriterleri nedeniyle farklı yük taşıma ve çevre koşullarına sahip çeşitli yapı projeleri için idealdir ancak beton üretimi büyük miktarda doğal kaynak tüketirken, beton yapıların yıkılması da giderek büyüyen inşaat atıklarının bertaraf problemini yaratmaktadır.

İnşaat yıkıntı atıklarının betona dâhil edilmesi doğal kaynakları koruyabilir ve çöp sahası atıklarını azaltarak daha sürdürülebilir bir inşaat sektörüne teşvik edebilir. Bununla birlikte, geri dönüştürülmüş beton agregalarındaki yapışmış harç su emilimini artırır, yoğunluğu azaltır ve bağ mukavemetini zayıflatarak betonun genel mukavemetini ve dayanıklılığını azaltır.

Geri dönüştürülmüş beton agregalarındaki yapışmış harcın özelliklerini iyileştirmek için çeşitli malzemeler ve yöntemler araştırılmıştır. Özellikle, plastik atıklar betonun mukavemetini ve dayanıklılığını artırabilir. Bu nedenle, bu çalışmada iri agregalar yerine, işlenmiş inşaat yıkıntı atıkları ve polietilen torbalar ile PET şişelerden elde edilen plastik atık lifler içeren betonun özellikleri araştırılmıştır.

Yöntem

Bu çalışmada bir katı atık geri dönüşüm tesisinden temin edilen geri dönüştürülmüş İnşaat yıkıntı atıkları kullanılmıştır. Bu atıkların yüzey dokusunu ve gözenek yapısını geliştirmek için polietilenimin (PEI) ile işlem görmüştür. İşlenmiş inşaat yıkıntı atıkları daha sonra performansını değerlendirmek için beton karışımına değişen oranlarda dâhil edilmiştir.

Atılan tek kullanımlık PET şişelerden ve polietilen torbalarından elde edilen plastik lifler, yaklaşık 1,10 mm2lik tek tip boyutlara el ile parçalanmıştır. Bu lifler beton karışımlarına %0 ila %1 arasında değişen ağırlık oranlarında dâhil edilerek plastik lif takviyeli beton (PFRC) elde edilmiştir.

Mekanik özellikleri değerlendirmek için, çeşitli beton karışımları 28 günlük kür süresinin ardından uluslararası standartlara uygun olarak basınç, yarmada çekme ve eğilme dayanımları açısından test edilmiştir Dayanıklılık testleri, agresif çevre koşullarını simüle etmek için beton numunelerin üç ay boyunca %10 konsantre sülfürik asit çözeltisine daldırılmasıyla gerçekleştirilmiştir.

Küp beton numuneler bu test için yüksek sıcaklığa maruz bırakılmıştır. Bu numuneler bir fırında 350 °C’de altı saatlik bir ısıl işleme tabi tutulmuştur. Yüksek sıcaklıklara maruz kalmadan önce ve sonra plastik liflerin özelliklerindeki değişiklikler taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak analiz edilmiş ve kimyasal bileşimleri ayrıca enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ile incelenmiştir.

Ayrıca, geri dönüştürülmüş plastik atık içeren beton bloklardaki karbon içeriği de değerlendirilmiştir. Üretimin farklı aşamalarında tüketilen enerji de gömülü karbonu tahmin etmek için analiz edilmiş ve nihai ürünün çevresel etkisi hakkında bilgi sağlanmıştır.
Bu kapsamlı yaklaşım, geri dönüştürülmüş inşaat yıkıntı atıkları ve plastik lifler içeren betonun hem performansını hem de sürdürülebilirliğini değerlendirmeyi amaçlamıştır.

(a) İnşaat ve Yıkım Atıkları, (b) Polietilenimin (PEI).

(a) Plastik liflerin üretimi, (b) Basınç dayanımı test düzeneği, (c) Yarmada çekme dayanımı, (d) Eğilme dayanımı

Sonuçlar ve tartışma

%100 işlenmiş inşaat yıkıntı atıkları ile birlikte %0,25 ve %0,5 plastik lif içeren M7 beton karışımı, kontrol betonuyla karşılaştırılabilir bir basınç dayanımı sergilemiştir. Özellikle, %0,25 PET elyaf içeren tüm karışımlar kontrol numunesi ile aynı dayanımı korumuştur. Bununla birlikte, %0,25 PET ve %1 Polietilen elyaf içeren karışım en büyük mukavemet düşüşünü (%23) sergilemiştir.
Optimum elyaf içeriğinde, basınç dayanımı % 100 işlenmemiş inşaat yıkıntı atıkları içeren karışıma kıyasla %11 artmıştır. Bu iyileşme, inşaat yıkıntı atıklarının ön işleme tabi tutulmasına bağlanmış ve bu da malzemenin gözenek yapısını etkili bir şekilde en aza indirmiştir. Bunun sonucunda azalan gözeneklilik inşaat yıkıntı atıklarının mukavemetini artırarak betonda daha iyi bir genel basınç performansı elde edilmesini sağlamıştır.

Yarmada çekme ve eğilme dayanımı açısından, M7 karışımı kontrol karışımından sırasıyla %11,7 ve %18,2 daha iyi performans göstermiştir. Bu iyileşmenin başlıca nedeni, karışımın sünekliğini artıran ve çatlamaya eğilimli bölgelerdeki gerilme konsantrasyonlarını azaltan plastik liflerin sünek yapısıdır.

Beton karışımlarının termal kararlılığı da dikkat çekmiştir. Kontrol ve plastik fiber takviyeli beton numuneleri 350 °C’ye sürekli maruz kaldıktan sonra sadece hafif soluk renk değişimi göstermiş, görünür yapısal hasar oluşmamıştır. Gözlenen minimum termal deformasyon, ısıya maruz kalma sırasında beton matrisi içindeki genleşme ve büzülme süreçleriyle ilişkilendirilmiş ve yüksek sıcaklık koşullarına karşı iyi direnç göstermiştir.

Sülfürik aside maruz bırakıldığında, hem kontrol hem de M7 numuneleri önemli ölçüde erozyona uğramış ve hasar şiddeti zamanla artmıştır. Bununla birlikte, M7 karışımı asit kaynaklı bozulmaya karşı kontrol numunesine kıyasla daha fazla direnç göstermiş, bu da plastik liflerin güçlü özelliklerine bağlanmış ve korozif koşullar altında ek dayanıklılık sağlamıştır.

Ekonomik ve çevresel açıdan bakıldığında, işlenmiş inşaat yıkıntı atıkları geleneksel iri agregalara göre uygun maliyetli ve sürdürülebilir bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. İşlenmiş inşaat yıkıntı atıkları kullanımı ham madde ve nakliye maliyetlerini azaltırken inşaat uygulamalarında uzun vadeli sürdürülebilirliğe katkıda bulunmuştur. Ayrıca, M7 karışımı kontrol karışımına kıyasla 1,3 kat daha düşük enerji talebi ve 1,2 kat daha az gömülü karbon göstererek beton üretiminin çevresel ayak izini azaltma potansiyelini vurgulamıştır.

Sonuç

Genel olarak çalışma, plastik atık ve inşaat yıkıntı atıklarının betona dâhil edilmesinin avantajlarını başarılı bir şekilde ortaya koymuş, betonun mekanik özelliklerini geliştirirken atık bertarafı için etkili bir çözüm sağlamıştır.
Atık içeren beton karışımları, geleneksel betonla karşılaştırılabilir basınç dayanımı gösterirken, optimum lif dozajlarında ve doğal agreganın %100 oranında işlenmiş inşaat yıkıntı atıkları ile değiştirilmesiyle eğilme dayanımı (%11,41) ve çekme dayanımında (%17,72) önemli iyileşmeler sağlamıştır. SEM ve EDS analizleri, asit ve yüksek sıcaklığa maruz kalmanın liflere minimum zarar verdiğini doğrulamıştır.

Ayrıca, plastik atık liflerin ve işlenmiş inşaat yıkıntı atıklarının betona dâhil edilmesinin çevresel ve ekonomik faydaları da dikkate değerdir. Bu tür sürdürülebilir inşaat uygulamaları kaynak tüketimini azaltmakta ve beton yapıların çevresel etkilerini en aza indirmektedir.

Plastik lifli betonun basınç dayanımları

Plastik lifli betonun yarmada çekme (mavi sütunlar) ve çekme (kırmızı noktalar) dayanımları

Dergi referansı
Duraiswamy, S., Neelamegam, P., VishnuPriyan, M., & Alaneme, G. U. (2024). Plastik atık lif ve işlenmiş inşaat yıkım atıklarının betonun dayanıklılığı ve sürdürülebilirliği üzerindeki etkisi. Scientific Reports, 14(1). DOI: 10.1038/s41598-024-78107-w, https://www.nature.com/articles/s41598-024-78107-w

Kaynak: https://www.azobuild.com/news.aspx?newsID=23651