Investigation of Shear Span to Depth Ratios and Failure Modes on High Performance Hybrid Fibre Reinforced Concretes by Using Coarse Aggregate

Abstract

Small scale studies in the laboratories of high performance concretes with hybrid fiber additives are quite common. However, large-scale studies on these special concretes are very difficult to do research due to reasons such as cost and production difficulty. Studies on these concretes with different shear span/effective depth (a / d) ratios have not yet become widespread. In order for these concretes to be used structurally, the cost reduction should be considered as a priority. This study started with the use of coarse aggregate (Dmax 11.2mm) in order to reduce the cost of these special concretes. In addition, two different ratios of fly ash (0.20-0.70), two different ratios of aggregate (1.0-2.0) and 3 different fiber types (Steel, Nylon and PVA) with different lengths were also evaluated within the scope of the study. Two different nano materials were added to a series selected among the mixtures and participated in the performance evaluation. The reinforced concrete mixture, which is widely used in structural productions today, was produced within the scope of the study in order to make a comparison. Beams of 100x150x1000 mm were produced from the mixtures and four-point bending loadings were applied at four different a/d (0.67, 1.11, 2.22 and 2.96) ratios. At the end of 28 days, the load-displacement curves and fracture patterns of the beams obtained from the experiments were examined and evaluated.

Keywords

• Shear span to depth ratio
• Large Scale
• Coarse Aggragates
• Nano Materials

İri Agrega Kullanılarak Üretilen Yüksek Performanslı Hibrit Lif Katkılı Betonlarda Kesme Açıklığı-Faydalı Yükseklik Oranının Kırılma Modülü Üzerine Araştırma

Abstract

Hibrit lif katkılı yüksek performanslı betonların laboratuvar ortamında küçük boyutlardaki çalışmalar oldukça yaygındır. Fakat bu özel betonlarla ilgili büyük ölçekli çalışmalar maliyet ve üretim zorluğu gibi sebeplerden dolayı araştırma yapmak oldukça zordur. Özellikle farklı kesme açıklığı/faydalı yükseklik (a/d) oranlarında bu betonlarla ilgili çalışmalar henüz yaygınlaşmamıştır. Bu betonların yapısal olarak kullanılabilmesi için maliyetinin düşürülmesi öncelikli olarak göz önüne alınması gerekmektedir. Bu çalışmada bu özel betonların maliyetinin azaltılması amacıyla kaba agrega (Dmax 11.2mm) kullanılmasıyla başlanmıştır. Ayrıca iki farklı oranda uçucu kül (0.20-0.70), iki farklı oranda agrega oranı (1.0-2.0) ve farklı uzunluklara sahip 3 farklı lif türü (Çelik, Naylon ve PVA) de çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. Karışımlar içerisinden seçilen bir seri üzerine iki farklı nano malzeme eklenerek performans değerlendirmesine katılmıştır. Günümüzde yaygın olarak yapısal üretimlerde kullanılan donatı ile güçlendirilmiş beton karışımı da karşılaştırma yapılabilmesi adına çalışma kapsamında üretilmiştir. Karışımlardan 100x150x1000 mm boyutlarında kirişler üretilerek dört farklı a/d (0.67, 1.11, 2.22 ve 2.96) oranında dört noktalı eğilme yüklemesi uygulanmıştır. 28 gün sonunda deneylerden elde edilen kirişlerin yük-deplasman eğrileri ve kırılma şekilleri incelenerek değerlendirilmiştir.

Keywords

• Kesme açıklığı/Faydalı yükseklik
• Büyük Ölçek
• Kaba Agregalar
• Nano Malzemeler

References

1. [1] J. Li, C. Wu, and Z.-X. Liu, “Comparative evaluation of steel wire mesh, steel fibre and high performance polyethylene fibre reinforced concrete slabs in blast tests,” Thin-Walled Struct., vol. 126, pp. 117–126, May 2018, doi: 10.1016/j.tws.2017.05.023.
2. [2] M. Taş, D. Fidan, and F. Yılmaz, “Uçucu Kül ve Bayburt Taşı ile Zemin Stabilizasyonu,” Bayburt Üniversitesi Fen Bilim. Derg., vol. 1, no. 1, pp. 8–14, 2018.
3. [3] A. Harison, V. Srivastava, and A. Herbert, “Effect of Fly Ash on Compressive Strength of Portland Pozzolona Cement Concrete,” J. Acad. Ind. Res., vol. 2, no. 8, pp. 476–479, 2014.
4. [4] P. B. and H. Najm, “High-Performance Fiber-Reinforced Concrete Mixture Proportions with High Fiber Volume Fractions,” ACI Mater. J., vol. 101, no. 4, doi: 10.14359/13361.
5. [5] C. E. Bakis, L. Bank, V. Brown, E. Cosenza, J. F. Davalos, and J. Lesko, “FRP composites in construction - State of the art review,” ASCE Compos Constr J, vol. 6, pp. 78–87, 2002.
6. [6] Q. S. Banyhussan, G. Yıldırım, E. Bayraktar, S. Demirhan, and M. Şahmaran, “Deflection-hardening hybrid fiber reinforced concrete: The effect of aggregate content,” Constr. Build. Mater., vol. 125, pp. 41–52, Oct. 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.08.020.
7. [7] G. J. Parra-Montesinos, “High-performance fiber-reinforced cement composites: An alternative for seismic design of structures,” ACI Struct. J., vol. 102, no. 5, pp. 668–675, 2005, [Online]. Available: https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-25444507733&partnerID=40&md5=903f2e11b4af542acdeb29edeb462500.
8. [8] C. M. Dry, “Repair and prevention of damage due to transverse shrinkage cracks in bridge decks,” in Smart Structures and Materials 1999: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, May 1999, vol. 3671, pp. 253–256, doi: 10.1117/12.348675.

9. [9] S. B. Keskin et al., “Self-healing capability of large-scale engineered cementitious composites beams,” Compos. Part B Eng., vol. 101, pp. 1–13, Sep. 2016, doi: 10.1016/j.compositesb.2016.06.073.
10. [10] I. Sanal, “Effect of shear span-to-depth ratio on mechanical performance and cracking behavior of high strength steel fiber-reinforced concrete beams without conventional reinforcement,” Mech. Adv. Mater. Struct., vol. 27, no. 21, pp. 1849–1864, Nov. 2020, doi: 10.1080/15376494.2018.1527963.
11. [11] R. Hay and C. Ostertag, “Development and Application of High Performance Green Hybrid Fiber-Reinforced Concrete (HP-G-HyFRC) for Sustainable and Energy-Efficient Buildings,” Key Eng. Mater., vol. 629–630, pp. 299–305, Oct. 2014, doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.629-630.299.
12. [12] M. de Rooji, K. Van Tittelboom, N. De Belie, and E. Schlangen, Self-Healing Phenomena in Cement-Based Materials, vol. 11. Dordrecht: Springer Netherlands, 2013.
13. [13] G. Yıldırım, F. E. Khiavi, Ö. Anıl, O. Şahin, M. Şahmaran, and R. T. Erdem, “Performance of engineered cementitious composites under drop‐weight impact: Effect of different mixture parameters,” Struct. Concr., p. suco.201900125, Oct. 2019, doi: 10.1002/suco.201900125.
14. [14] J. Qiu, H. S. Tan, and E.-H. Yang, “Coupled effects of crack width, slag content, and conditioning alkalinity on autogenous healing of engineered cementitious composites,” Cem. Concr. Compos., vol. 73, pp. 203–212, Oct. 2016, doi: 10.1016/j.cemconcomp.2016.07.013.
15. [15] Z. Ahmad, S. Iis, Z. Halim, and N. Sarifuddin, “EFFECT OF FIBER LENGTH VARIATIONS ON PROPERTIES OF COIR FIBER REINFORCED CEMENT-ALBUMEN COMPOSITE (CFRCC),” IIUM Eng. J., vol. 12, no. 1, pp. 63–76, May 2011, doi: 10.31436/iiumej.v12i1.116.
16. [16] K.-C. Kim, I.-H. Yang, and C. Joh, “Effects of Single and Hybrid Steel Fiber Lengths and Fiber Contents on the Mechanical Properties of High-Strength Fiber-Reinforced Concrete,” Adv. Civ. Eng., vol. 2018, pp. 1–14, 2018, doi: 10.1155/2018/7826156.