Yeni Tasarım Yaklaşımı, Ultra Yüksek Performanslı Betonun Maliyetini Önemli Ölçüde Düşürebilir

UNIVERSITY PARK, Pensilvanya – Beton, dünyada en yaygın kullanılan yapı malzemesi olmasına rağmen çekme gerilmeleri altında gevrek davranış gösterir ve kolaylıkla çatlayabilir. Ultra yüksek performanslı beton (UHPC) ise son derece yoğun yapısıı ve üstün dayanıklılığı ile öne çıkan özel bir beton türüdür. Bu tür betonda, eğilme ve çatlamaya karşı direnç sağlamak için çelik lifler kullanılır, ancak bu lifler nedeniyle UHPC’nin maliyeti, geleneksel betona kıyasla 30 kata kadar daha yüksek olabilmektedir. Penn State liderliğindeki araştırma ekibi, UHPC’nin performansından ödün vermeden maliyetini önemli ölçüde azaltabilecek yeni bir tasarım yaklaşımı geliştirmiştir.

Ekip, metalik ve metalik olmayan liflerle güçlendirilmiş farklı UHPC karışımlarının mekanik dayanımını ve sünekliğini yani çatlamadan önce şekil değiştirebilme kapasitesini belirlemek amacıyla kapsamlı deneyler gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmalar, malzemenin fiyatını %75’e kadar azaltabilecek optimizasyon parametrelerini ortaya koyarken, UHPC’nin yüksek dayanım, süneklik ve dayanıklılık özelliklerinin korunabileceğini göstermiştir. Ekip, bu yaklaşımın dünya çapındaki malzeme üreticilerinin, altyapı sahiplerinin ve inşaat şirketlerinin sadece maliyet tasarrufu sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda daha dayanıklı ve çevre dostu beton geliştirmelerine de yardımcı olabileceğini belirtmiştir. Ekip, çalışmalarını “Cement and Concrete Composites” dergisinde yayımlamıştır.

Pennsylvania Eyalet Üniversitesi (Penn State) mühendislerinden oluşan bir araştırma ekibi, ultra yüksek performanslı betonun (UHPC) daha ekonomik hâle getirilmesine yönelik yeni yaklaşımlar geliştirmektedir. Ekip, farklı UHPC karışımlarını laboratuvar deneyleriyle test etmiş; bunlar arasında, betonun çekme dayanımını gerilme altında hassas biçimde ölçebilen özgün bir deney düzeneği de kullanılmıştır. Kaynak: Poornima Tomy / Penn State

Penn State Üniversitesinde John ve Harriette Shaw İnşaat ve Çevre Mühendisliği Profesörü ve İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölüm Başkanı olan çalışmanın ortak yazarı Farshad Rajabipour’a göre, UHPC, yüksek mukavemeti, sünekliği ve olağanüstü dayanıklılığı sayesinde köprüler, yüksek katlı binalar veya kıyı koruma yapıları gibi büyük ve dayanıklı yapıların inşasında kritik bir öneme sahip hâle gelmiştir.  Rajabipour, özellikle UHPC’nin köprü inşaatını hızlandırmanın anahtarı olduğunu ve bu sayede eskiden aylar süren köprü yapımı ve onarımlarının sadece birkaç gün veya haftaya indirgenmesine yardımcı olduğunu belirtmiştir.

Rajabipour, “Köprü elemanları fabrikada önceden imal ediliyor, daha sonra şantiyeye taşınarak adeta Lego parçaları gibi birleştiriliyor. Köprünün ana taşıyıcı elemanları geleneksel betonla üretilirken, bu elemanları birbirine bağlayan yüksek dayanımlı grout UHPC’den oluşuyor. Dolayısıyla UHPC, geleneksel betonun yerine geçmek için değil, yüksek performans gerektiren kritik bağlantıları sağlamak amacıyla kullanılıyor.” diye açıklıyor.

UHPC’nin yüksek dayanımı ve sünekliği, beton matrisi içerisine homojen olarak dağıtılmış binlerce minik çelik lif sayesinde elde edilmektedir. Yaklaşık 13 mm uzunluğunda ve 0,2 mm kalınlığındaki bu lifler; çimento, su, agrega ve mineral katkılardan oluşan matris içerisinde mekanik olarak kenetlenerek yüksek çekme gerilmeleri altında daha esnek bir malzeme oluşturur.

Yukarıda, mikroskop altında yüksek büyütmeyle görüntülenen farklı iç lif türleri görülmektedir. Bunlar; sıkı demetler hâlinde bir araya gelmiş fibrile bazalt lifleri (a), reçine ile birbirine bağlanmış iç cam liflerinden oluşan lif takviyeli polimer (FRP) (b), kancalı çelik lifin büyütülmüş uç kısmı (c) ve tek bir yivli çelik lif (d) örneklerini içermektedir. Bu iç lifler, ultra yüksek performanslı betonun (UHPC) üstün mekanik dayanımını sağlayan temel bileşenlerdir. Kaynak: Farshad Rajabipour tarafından sağlanmıştır. Tüm hakları saklıdır.

Ancak Rajabipour’a göre maliyetin temel nedeni de yine bu liflerdir. Toplam hacmin yalnızca yaklaşık %2’sini oluşturmalarına rağmen, UHPC maliyetinin yaklaşık %70’inden sorumludur. Ayrıca UHPC’nin çoğu zaman ticari olarak patentli ve torbalanmış hazır karışımlar hâlinde satılması da maliyeti daha da artırmaktadır. Rajabipour’a göre, malzemeyi ticari açıdan daha erişilebilir ve uygun fiyatlı hâle getirmenin anahtarı, liflerin optimize edilmesidir.

Araştırma kapsamında toplam 15 farklı UHPC karışımı hazırlanmıştır. Bunların dokuzu farklı miktarlarda ve farklı geometrilerde çelik lif içerirken, araştırmacılar aynı performansın daha az lif kullanılarak elde edilip edilemeyeceğini incelemiştir.

Rajabipour, “Farklı lif uzunlukları, çapları ve geometrileri denedik. Lif yüzeylerinde girintiler oluşturduk, burulmuş lifler kullandık ve küçük kancalar ekleyerek çimento matrisiyle daha iyi kenetlenmelerini sağlamaya çalıştık. Eğer aynı hatta daha yüksek performansı daha az lif kullanarak elde edebilirsek, malzemenin maliyetini büyük ölçüde düşürebiliriz.” diyor.

Ekip ayrıca, fibrille edilmiş, yani çok ince cam ipliklerden, bazalt olarak bilinen bir taş türünden ve cam veya karbon lifleriyle takviye edilmiş polimerden oluşan metalik olmayan lifler kullanarak altı karışımı test etmiştir. Bu malzemeler geleneksel çelik lifler kadar güçlü olmasa da Rajabipour, benzer performans sağlayabilecek bir metalik olmayan lifin belirlenmesi, UHPC’nin toplam maliyetini düşürme yolunda büyük bir adım olabileceğini belirtilmektedir.

Ardından, tek tek numuneler, farklı beton karışımlarının temel mekanik özelliklerini değerlendirmek üzere ekip tarafından geliştirilen bir dizi teste tabi tutulmuştur. Ekip, her bir karışımın taze hâldeki akışkanlığını değerlendirmiştir. Rajabipour, bunun hızlı ve yüksek kaliteli inşaat projelerinde kullanımını değerlendirirken anlaşılması gereken önemli bir unsur olduğunu belirtmektedir; ayrıca basınç mukavemetini, yani malzemeye basınç uygulayan kuvvetler altında dayanıklılığını; çekme mukavemetini, yani malzemeyi çeken kuvvetler altında dayanıklılığını; sünekliği; ve lif ile çimento matrisi arasındaki aderansı incelemiştir.

Deney sonuçlarına göre özellikle iki çelik lif tipi (mikro çelik lif ve yivli çelik lif) lif hacmi yarıya düşürülmesine rağmen performansını büyük ölçüde koruyabilmiştir.

Ayrıca ekip, UHPC’nin performansı üzerinde en büyük etkiye sahip özelliklerin hangileri olduğunu belirlemiştir. Boy/çap oranı yüksek lifler, çekme performansını belirgin şekilde artırmaktadır. En yüksek performans, liflerin gerilme altında kopmasından önce kontrollü biçimde beton matrisinden sıyrılarak çıkması sayesinde elde edilmektedir. Günümüzde ticari olarak satılan metalik olmayan lifler henüz çelik liflerle aynı performansı sağlayamasa da, geliştirilecek yeni tasarımların çok daha düşük maliyetle benzer performans sunma potansiyeli bulunmaktadır.

Rajabipour, “Artık hangi parametrelerin maliyeti düşürürken performansı koruyacağını sayısal verilerle ortaya koyabiliyoruz. Lif hacmi önemlidir, lif sayısı önemlidir ve lif-matris aderansı da önemlidir, ancak bunların göreceli etkilerini daha önce nicel olarak ortaya koyamamıştık.” diyor.

Ekip, bundan sonra farklı lif bileşimleri üzerine daha fazla araştırma yapmayı, yeni metalik olmayan lifleri keşfetmeyi ve mevcut üretim yaklaşımlarını optimize etmeyi planlamaktadır. Ayrıca araştırmacılar, UHPC üretimi sırasında oluşan karbondioksit emisyonlarını azaltmak için farklı fırsatları incelemeye devam etmeyi ve bu malzemenin sürdürülebilirliğini büyük ölçüde artırmayı planlamaktadır.

Rajabipour, “UHPC üretiminin yalnızca birkaç patentli formülasyonla sınırlı kalmaması için uygulanabilir bir yol ortaya koyduk. Lifler sadece maliyetin değil, aynı zamanda karbon emisyonlarının da en büyük kaynağını oluşturuyor. Dolayısıyla geliştirdiğimiz yaklaşım hem maliyetleri hem de çevresel etkileri azaltabilecek önemli bir potansiyele sahiptir.” diye çalışmayı açıklıyor.

Rajabipour, Larson Ulaşım Enstitüsü ve Malzeme Araştırma Enstitüsü bünyesinde de görev yapmaktadır.

Çalışmanın diğer ortak yazarları arasında, Rajabipour’un doktora danışmanlığını yürüttüğü araştırmacılar da yer almaktadır. Abdullah Al Moman, Dutchland’de yapısal tasarım mühendisi olup Penn State Üniversitesinden inşaat mühendisliği alanında doktora derecesi almıştır. Deepika Sundar, CalPortland’da araştırma bilimcisi olup Penn State Üniversitesi’nden inşaat mühendisliği alanında doktora derecesi almıştır. Amir Alarab ise, AECOM’da yapısal mühendis olarak görev yapmakta olup doktora derecesini Penn State Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümünden almıştır.

Çalışmanın diğer ortak yazarları ise Penn State Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü yardımcı araştırma profesörü Shaohua Chu ile Jovan Tatar, University of Delaware İnşaat, Yapım ve Çevre Mühendisliği Bölümü doçentidir.

Araştırma, ABD Ulaştırma Bakanlığı (U.S. Department of Transportation) ile Pennsylvania Ulaştırma Bakanlığı (Pennsylvania Department of Transportation) tarafından desteklenmiştir.

Penn State Üniversitesi’nde araştırmacılar, Pennsylvania Eyaleti’nde, ABD genelinde ve dünya çapında insanların sağlık, güvenlik ve yaşam kalitesini etkileyen gerçek sorunlara çözüm üretmeye yönelik araştırmalar yürütmektedir.

Uzun yıllardır araştırmalara sağlanan federal destek; ülkeyi daha güvenli hâle getiren, sanayinin rekabet gücünü artıran ve ekonomiyi güçlendiren yeniliklerin geliştirilmesini mümkün kılmıştır ancak son dönemde araştırma fonlarında yapılan federal kesintiler, bu ilerlemenin sürdürülebilirliğini tehdit etmektedir.

Kaynak: www.psu.edu/news/research/story/new-design-approach-may-help-slash-price-ultra-durable-concrete