Effect of Hybridization of Steel Fibers on the Mechanical Behavior of Concrete

Year 2024, , 221 - 235, 30.04.2024

Necim Kaya , Berfin Ramazanoğlu

https://doi.org/10.53433/yyufbed.1385342

Abstract

Fiber-reinforced concretes are designed to increase the strength of the structure. In this study, the effect of hybridization of steel fibers of different slenderness on the mechanical properties of concrete was examined experimentally. For this purpose, a series with four different mixture contents was produced, together with our reference sample representing traditional concrete. In the mixtures, CEM I 42.5 N Portland type cement, Microfiber Dramix OL 6 /.16, Macro fiber Dramix 3D 45/35, limestone-based aggregates with 0-4, 4-8, 4-16 mm grain distribution and new generation superplasticizer concrete. Additive material was used. The produced samples were subjected to pressure, flexural tensile strength and splitting tensile strength tests. According to the results of the experimental study, It has been observed that the use of single and mixed fibers has a limited effect on compressive strength but has positive effects on, flexural tensile strength and splitting tensile strength. While the maximum increase in bending tensile strength was observed at 15.71% at 28 days of age with the use of single fiber and 16.42% at 90 days of age, a 76.4% increase in splitting tensile strength was observed at 28 days of age with hybrid fiber reinforcement and 44% at 90 days of age with single fiber reinforcement. The effect of the shape, slenderness, distribution, and angle of the fibers used on the mechanical properties was seen.

Keywords

Concrete, Hybrid fiber, Mechanical properties, Steel fiber reinforced concrete

Çelik Liflerin Hibritlenmesinin Betonun Mekanik Davranışına Etkisi

Abstract

Lif takviyeli betonlar, yapının dayanımını arttırmak için tasarlanmaktadır. Bu çalışmada farklı narinlikteki çelik liflerin hibritlenmesinin betonun mekanik özelliklerine etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda geleneksel betonu temsil eden referans numunemizle beraber toplamda 4 farklı karışım içeriğe sahip seriler üretilmiştir. Karışımlarda, CEM I 42.5 N Portland tipi çimento, Mikro lif Dramix OL 6 /.16, Makro lif Dramix 3D 45/35, kalker esaslı 0-4, 4-8, 4-16 mm dane dağılımına sahip agregalar ve yeni nesil süperakışkanlaştırıcı beton katkı malzemesi kullanılmıştır. Üretilen numunelere basınç, eğilmede çekme dayanımı ve yarmada çekme dayanımı testlerine tabi tutulmuştur. Deneysel çalışmanın sonuçlarına göre; tekil ve karma lif kullanımının basınç dayanımı üzerinde sınırlı bir etkiye sahip olduğu, yarmada çekme dayanımı ve eğilmede çekme dayanımı üzerinde ise pozitif etkilerinin olduğu görülmüştür. Eğilmede çekme dayanımında tekil lif kullanımıyla 28 günlük yaşta %15.71, 90 günlük yaşta %16.42 oranında maksimum artış gözlemlenirken, yarmada çekme dayanımında 28 günlük yaşta hibrit lif takviyesiyle %76.4, 90 günlük yaşta tekil lif takviyesiyle %44 oranında artış gözlemlenmiştir. Kullanılan liflerin şeklinin, narinliğinin, dağılımının ve açılarının mekanik özellikler üzerindeki etkisi açıkça görülmüştür.

Keywords

Beton, Çelik lif donatılı beton, Hibrit lif, Mekanik özellikler

References

• ACI 544.1R-96, A. (2002). State-of-the-art report on fiber reinforced. USA, American Concrete Institute.
• Açıkgenç, M. (2015). Çelik lif donatılı betonların tasarımı için grafik tabanlı bir yaklaşım. (Doktora tezi), Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Elazığ, Türkiye.
• Akeed, M. H., Qaidi, S., Ahmed, H. U., Emad, W., Faraj, R. H., Mohammed, A. S., Tayeh, B. A., & Azevedo, A. R. G. (2022). Ultra-high-performance fiber-reinforced concrete. Part III: fresh and hardened properties. Case Studies in Construction Materials, 17, e01265. doi:10.1016/j.cscm.2022.e01289
• Alkayış, M. H., & Başyiğit, C. (2021). Lif katkısının beton darbe dayanımına etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 24, 455-462. doi:10.31590/ejosat.897865
• Aral, M. (2006). Karma Lif İçeren Çimento Esaslı Kompozitlerin Mekanik Davranışı Bir Optimum Tasarım. (Yüksek lisans tezi), İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye.
• Arslan, E., & Sarıkaya, H. (2021). Farklı boyutlardaki poliamid, poliester ve jüt liflerin betonun mekanik davranışa etkisi. Uşak Üniversitesi Fen ve Doğa Bilimleri Dergisi, 1, 30-49. doi:10.47137/usufedbid.853757
• Badugea, S. K., Navaratnam, S., Abu-Zidan, Y., McCormack, T., Nguyen, K., Mendis, P., Zhang, G., & Aye, L. (2021). Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: a review on material mix design, processing, interlayer bonding and reinforcing methods. Structures, 29, 1597-1609. doi:10.1016/j.istruc.2020.12.061
• Banthia, N., Yan, C., & Bindiganaville, V. (2000, September). Development and application of high performance hybrid fiber reinforced concrete. Fifth RILEM Symposium on Fibre-Reinforced Concretes (FRC), Lyon, France.
• Banthia, N., & Sappakittipakorn, M. (2007). Toughness enhancement in steel fiber reinforced concrete through fiber hybridization. Cement and Concrete Research, 37, 1366-1372. doi:10.1016/j.cemconres.2007.05.005
• Bozkurt, N., Yazıcıoğlu, S., & Gönen, T. (2013). The effect of single and hybrid fıbres on fıbre reinforced self compacting concrete produced with high level of fly ash usage. SDU International Technologic Science, 5(2), 11-21.
• Brandt, A. (2008). Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering. Composite Structures, 86, 3-9. doi:10.1016/j.compstruct.2008.03.006
• Çivici, F., & Güngör, E. (2016). Karma lifli betonların tokluk açısından değerlendirilmesi. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 7(3), 365-376.
• Demirhan, S. (2017). Nano malzemeler ile modifiye edilmiş yüksek performanslı hibrid lif donatılı betonlar. (Doktora tezi), Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
• Gopalaratnam, V., & Gettu, R. (1995). On the characterization of flexural toughness in fiber reinforced concretes. Cement and Concrete Composites, 17, 239-254. doi:10.1016/0958-9465(95)99506-O
• Jiao, D., Shi, C., Yuan, Q., An, X., Liu, Y., & Li, H. (2017). Effect of constituents on rheological properties of fresh concrete-A review. Cement and Concrete Composites, 83, 146-159. doi:10.1016/j.cemconcomp.2017.07.016
• Khalilpour, S., BaniAsad, E., & Dehestani, M. (2019). A review on concrete fracture energy and effective parameters. Cement and Concrete Research, 120, 294-321. doi:10.1016/j.cemconres.2019.03.013
• Kızılırmak, C., Aydın, S., & Yardımcı, M. Y. (2019). Çelik lif kanca geometrisinin yüksek dayanımlı lifli betonların statik ve darbe yükleri altında eğilme özelliklerine etkisi. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34(3), 1609-1627. doi:10.17341/gazimmfd.570893
• Kozak, M. (2013). Çelik lifli betonlar ve kullanım alanlarının araştırılması. SDU Teknik Bilimler Dergisi, 3(5), 26-35.
• Mehta, P., & Monteiro, P. (2006). Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. New York: McGraw-Hill.
• Nam-Wook, K., Saeki, N., & Horiguchi, T. (2000). Crack and strength propertıes of hybrıd fıber reınforced concrete at early ages. Transactions of The Japan Concrete Institute, 21, 241-246.
• Nataraja, M., Dhang, N., & Gupta, A. (1999). Stress-strain curves for steel fiber reinforced concrete under compression. Cement and Concrete Composites, 21, 383-390. doi:10.1016/S0958-9465(99)00021-9
• Neville, A. (1991). Properties of Concrete. London: Pitman.
• Sato, Y., Van Mier, J. G. M., & Walraven, J. C. (2000, September). Mechanical characteristics of multi-modal fiber reinforced cement based composites. Fifth RILEM Symposium on Fibre-Reinforced Concretes (FRC), Lyon, France.
• Sidiq, A., Gravina, R., & Giustozzi, F. (2019). Is concrete healing really efficient? a review. Construction and Building Materials, 205, 257-273. doi:10.1016/j.conbuildmat.2019.02.002
• Taşdemir, M., Şengül, Ö., Şamhal, E., & Yerlikaya, M. (2006). Endüstriyel Zemin Betonları. İstanbul: TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası.
• Tittelboom, K. V., & De Belie, N. (2013). Self-Healing in cementitious materials-a review. Materials, 6(6), 2182-2217. doi:10.3390/ma6062182
• Topçu, İ. B., & Boğa, A. R. (2005). Uçucu kül ve çelik liflerin beton ve beton borularda kullanımı. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 18(2), 1-14.
• TS 802. (2016). Beton karışım tasarımı hesap esasları. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 12350-2. (2019). Beton - taze beton deneyleri - Bölüm 2: çökme (slump) deneyi. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 12390-3. (2019). Beton - sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 3: deney numunelerinin basınç dayanımının tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 12390-5. (2019). Beton - sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 5: deney numunelerinin eğilme dayanımının tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 12390-6. (2024). Beton - sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 6: deney numunelerinin yarmada çekme dayanımının tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
• Türk, K., & Kına, C. (2017). Çimento esaslı kompozitlerde karma lif kullanımı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 23(6), 671-678.
• Türk, K., Katlav, M., & Turgut, P. (2022). Karma lif takviyeli KYB karışımlarının işlenebilirlik ve mühendislik özelliklerinin araştırılması. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 11(2), 400-410. doi:10.17798/bitlisfen.984473
• Yalçın, M. (2009). Çelik lif donatılı betonların performansa dayalı tasarımı ve optimizasyonu. (Doktora tezi), İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü. İstanbul, Türkiye.
• Yalçın, M., Taşdemir, C., & Taşdemir, M. A. (2009). Çelik lif donatılı betonların performans sınıflarının belirlenmesi. İtüdergisi/d, 8(6), 97-108.
• Yardımcı, M. (2007). Çelik lifli kendiliğinden yerleşen betonların reolojik, mekanik, kırılma parametrelerinin araştırılması ve optimum tasarımı. (Doktora tezi), Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye.
• Yavuz, D., Güler, S., Korkut, F., & Türkmenoğlu, Z. F. (2016). Çelik lif katkılı betonların mekanik özelliklerinin incelenmesi. Engineering Sciences, 11(4), 93-99. doi:10.12739/NWSA.2016.11.4.1A0366
• Yazıcı, Ş. (2017). Çelik lif boyu ve kullanım oranının çelik lifli betonun özelliklerine etkisi. 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science, Baku, Azerbeycan.