Fiber donatılı beton (FDB), 3 boyutlu bir güçlendirme sistemi oluşturmak için beton içerisinde düzgün bir şekilde dağılmış süreksiz fiberlerden (lifler) oluşmuş bir beton türüdür. Fiberlerin beton, harç ve sıva gibi çimentolu malzemelere dahil edilmesi aşağıda belirtilen malzeme özelliklerini iyileştirmektedir: Süneklik

• Süneklik
• Tokluk
• Çatlak direnci
• Çekme dayanımı
• Geçirimsizlik
• Yangın direnci
• Darbe / kırılma direnci
• Yorulma direnci

FDB için kullanılan malzemeler genellikle çelik, polimer (sentetik), cam ve doğal fiberlerdir. Betonda kullanılan çelik ve sentetik fiberlerin özellikleri TS EN 14889 Standartlarında belirtilmektedir. Şekil 1’de belirtildiği gibi sentetik fiberler çaplarına göre mikro ve makro olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır.

Şekil 2. Betonda kullanılan farklı fiberler

Sentetik Fiber Donatılar

Beton teknolojisindeki gelişmelerin bir örneği olan sentetik fiber donatılar projelere sunduğu çeşitli avantajlar sebebiyle farklı mühendislik uygulamalarında tercih edilmektedir. En yaygın kullanım alanları endüstriyel zemin betonları, püskürtme betonlar, beton yollar, tünel betonları, slab-track ray altı betonları ve prekast segmentler olan sentetik fiber donatılar gerek yapısal üstün özellikleri gerekse maliyet ve uygulama avantajları nedeniyle geleneksel çelik donatıya güçlü bir alternatif olarak var olmaktadır.

Sentetik fiber donatılar; makro ve mikro sentetik fiber donatılar olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Makro sentetik fiberler, zemin betonları gibi belirli uygulama alanlarında geleneksel donatı ihtiyacını tamamen ya da kısmen ortadan kaldıran fiber çeşitleridir. Mikro sentetik fiber donatılar ise ana amacı rötre çatlaklarını engellemek olan ve beton içerisinde ikincil donatı olarak kullanılan fiber çeşitleridir. Ayrıca, tamir harçları ve sıva işlerinde de kullanılmaktadır.

Mikro sentetik fiber donatılı betonların özellikleri:

• Mikro sentetik fiberler beton içerisinde 3 boyutlu dağılarak, erken yaşta beton yüzeyinde su kaybı nedeniyle oluşabilecek büzülme çatlaklarının oluşumunu engeller.
• Uzun ömürlü ve ekonomiktir.
• Yapısı gereği korozif ortamlardan olumsuz etkilenmez.
• Alkalilere karşı dirençlidir.
• Darbe direnci yüksektir.
• Beton yüzeyinde tozuma oluşmasını engeller.
• Donma-çözülme etkisine karşı dayanıklıdır.
• Yangın direnci yüksektir.
• Çatlakların engellenmesiyle elde edilen geçirimsiz betonla birlikte sistemin bakım maliyeti azalır.
• Çatlak oluşumunun minimize edilmesiyle betona dışardan zararlı madde girişi engellenir. Bu sayede betonun durabilitesi artar.
• Ekstra işçilik gerektirmeyerek kolay uygulanır.

Makro sentetik fiber donatılı betonların özellikleri:

• 3 boyutlu çalışarak yüzeyde oluşan negatif momentlere karşı basınç donatısı görevini üstlenir.
• Yapısı gereği korozif ortamlardan olumsuz etkilenmez.
• Alkalilere karşı dirençlidir.
• Yüksek eğilme, çekme ve kesme dayanımı ile darbe ve aşınmalara karşı dirençlidir.
• Yüksek süneklik ve enerji yutma kapasitesine sahiptir.
• Uzun dönem dayanıklılık performansı sağlar.
• Betonun her noktasına dağılarak betonu sarar ve yüksek aderansla tutunur.
• Büzülme çatlaklarını ve ısıl genleşme etkilerini engeller.
• Yapısal olarak eğilmede ve yarmada çekme dayanımı sağlayarak çelik hasır ihtiyacını ortadan kaldırır.
• Çelik hasır donatı montajındaki zaman kaybını ortadan kaldırır.
• Uygulama süresini kısaltarak operasyonel ve işçilik maliyetlerinden önemli bir tasarruf sağlar.
• Pas payı gerektirmeyerek beton kalınlığını azaltır.
• İş güvenliği açısından sahada hasır donatının yarattığı riskleri önler.

Günümüzün inşaat pazarında fiber donatılı betonlar aşağıda belirtilen birçok alanda uygulanmaktadır:

• Saha betonları ve endüstriyel zeminler
• Püskürtme betonları
• Tüneller
• Kaplama betonları
• Ray altı betonları
• Beton yollar
• Prekast betonları
• Yangına dayanıklı kaplama betonları
• 3D baskı betonları

Genellikle geleneksel çelik donatıya kıyasla uygun maliyetli ve kullanımı kolay bir alternatif olan fiberler betonun mühendislik özelliklerini geliştirmek için kullanılmaktadır. FDB, çelik donatıların yerine kullanıldığında bu malzemelerin sipariş edilme ve depolanma ihtiyacını, yoğun emek gerektiren donatıyı kesme, birleştirme, yerleştirme ve sabitleme sürecini ortadan kaldırmaktadır. FDB’nin yerleştirilmesi daha hızlı ve güvenli olmaktadır. Fiberler hazır beton üretimi esnasında karışıma katılacağı gibi şantiyede de transmikser içindeki betona ilave edilebilmektedir.

Endüstriyel Zemin Uygulamalarında Sentetik Fiber Donatılı Betonlar

Beton uygulaması yapılmadan önce gerekli zemin iyileştirme işlemleri yapılmalıdır. Zemin mekanik yöntemlerle uygun sıkılık derecesine getirilmeli ve gerekli deneylerle (Plaka Yükleme Deneyi, CBR, Kum Konisi ve Proktor gibi) test edilmelidir. Betonun zeminle arasındaki etkileşimine bağlı olarak ağır yükler altında oluşacak kesme direncine karşı fiber donatılı beton tasarımı, statik hesabı uzmanlarınca hazırlanmaktadır.

Sıkıştırılan zeminin tesviyesi yapılır ve saha temizlenir. Yeterli taşıma kapasitesine ulaşan zeminin, istenen hassasiyette tesviyesi yapılmalıdır ve ölçüm aletleri ile tüm sahada kot değerleri not edilmelidir. Uygulaması yapılacak zemin betonu kalınlığı, zemindeki en yüksek kot değeri bulunan bölgeye getirilmelidir.

Soğuk derz olacak yerlerde dikiş donatıları yerleştirilmelidir. Betonun yatay düzlemde serbest olarak hareket edebilmesi için dikiş donatılarının bir tarafına kılıf yerleştirilmelidir veya başka özel sistemler de uygulanabilir. Saha betonu yapılacak zemin üstüne polietilen örtü serilmelidir. Bu örtü beton ve alt zemin arasındaki sürtünmeyi azaltır ve sıvı geçişini engeller. Zemin betonu ile yapının taşıyıcı elemanları ve perde/duvar gibi yapılar arasındaki bağlantı, elastometrik malzemelerle ayrılmalıdır. Tavsiye edilen sentetik fiber kullanım dozajları, proje gereksinimlerine bağlı olarak 2 kg/m³ ve 5 kg/m³ arasına değişiklik gösterir.

Homojen karışım, fiberlerin beton santrallerinde agrega bandına eklenmesiyle veya sahada beton mikserine katılarak en az beş dakika tam hızda çevrim yapılmasıyla elde edilmektedir. Fiberler eğer betonda çözünebilen ambalaj içindeyse paketler betona doğrudan ya da fiberler paketten boşaltılarak katılır. Doğru dozajlama için paketlerin adetleri sayılmalı ve not edilmelidir. Beton temininin aksaması, beton imalatında soğuk derz oluşmasına sebep olacağından, önceden belirlenmiş döküm programına göre imalat yapılmasına özen gösterilmelidir.

Eğer uygulama lazerli mastarlama makinesiyle yapılıyorsa, önce gerekli koordinat değerleri girilmelidir. Sonrasında hazırlanan fiber donatılı beton, ana kalıplarına dökülmeli ve lazerli sistem yardımıyla istenilen kod hassasiyetinde vibrasyonla sıkıştırılarak mastarlanmalıdır.

Beton serim işleminin ardından sahadaki fiziksel koşulların (sıcaklık, nem, rüzgâr) durumuna göre dökümü takip eden birkaç saat içerisinde (bitmiş beton yüzeyinin parmak izi bırakacak kıvama gelmesinden sonra) tepsi perdah işlemleri yapılmalıdır. Fiberden arındırılmış yüzeyler elde etmek için, perdah makinesinin bıçakları bir süre için düz ayarlanması (örneğin; ilk iki geçiş) ve birbirine dik konumda olması tavsiye edilir. Devam eden geçişler standartlarda tarif edildiği gibi normal teknik ve zamanlamalarla verilir. Süpürgeli beton fırçası veya mala kullanımında, hareketin sadece tek yönde olmasına dikkat edilmelidir. Yüzey sertleştiricili uygulamalarda, yüzey sertleştiricinin beton üzerinde eşit dağılımına özen gösterilmelidir. Priz almaya başlayan beton, üzerinde gezilecek kadar kıvam kazandığında yüzey sertleştirme uygulamasıyla birlikte perdah uygulaması da yapılır. Ardından beton uygun şekilde kürlenmelidir.

Derz kesimi, beton dökümünden itibaren mümkün olan en kısa süre içerisinde yapılmalıdır. Derzler genellikle aks aralıklarına denk getirilir ve ortada bulunan derzler aks aralıklarıyla eşit mesafelerde bulunur. Fiber içeren betonlar için, klasik ıslak bir testere ile yapılan kesim, beton derinliğinin 1/3-1/4’ü aralığında olmalıdır. Bölmelerin Uzunluk/Genişlik oranı 3/2’den küçük olmalıdır ve merkeze olabilecek en yakın mesafede bulunmalıdır. Derz kesim alanlarının ortalama 5-7m x 5-7m olması tavsiye edilir.

İzolasyon derzi, zemin ve bitişik yapı elemanlarının arasında dikey ve yatay hareketin serbestçe oluşmasının gerektiği yerlerde kullanılmalıdır. Saha zemini oturmalarının binaya zarar vermemesi için önemlidir. İzolasyon derzi, duvarla, kolonlarla, ekipman temelleriyle, temel destekleriyle, ya da kanalizasyon şebekesi, rögar, karter ve merdiven gibi sınırlı noktalarla birleşim yerlerinde kullanılmalıdır.

Betonda çimentonun suyla olan hidratasyon reaksiyonunun devam etmesi amacıyla bilinen kür teknikleri uygulanmalıdır. Beton, nemli tutulması durumunda çimento hidratasyon ile birlikte beton dayanım kazanmaya devam eder. Zemin betonları ıslatılarak, üzerine geçirimsiz örtü malzemeleri serilerek ya da kimyasal kür uygulaması ile kürlenebilir. Kür işlemi yapılmadığı takdirde betonda yüzey çatlaklarının oluşması ve dayanımının düşük olması gibi problemler ortaya çıkabilir. Endüstriyel zemin betonu 28 gün sonra tam mukavemetini kazandıktan sonra dizayn yüklerine karşı kullanıma hazır hale gelir.

Tünel Uygulamalarında Sentetik Fiber Donatılı Betonlar

Tünel imalatlarında betonun eğilme mukavemetini artırmak amacıyla kullanılan fiber donatıların geleneksel donatılardan en önemli farkı beton içinde üç boyutlu dağılarak her yönde çalışmasıdır. Bu çok yönlü dağılım, betonun sünekliğini artırarak enerji sönümlenmesini mümkün kılmaktadır ve betonun çatlama sonrası direncini belirgin oranda arttırmaktadır.  Zemin kaya hareketleri nedeniyle ortaya çıkan gerilmeler, yüksek tokluk ve deplasman kapasitesine sahip makro fiber donatılı betonla taşınmaktadır.

Püskürtme beton imalatlarının birincil amacı betonu mümkün olan en kısa sürede uygulayarak kazı yapılan alanda meydana gelebilecek ani göçmeleri engellemektir. Bu hızlı uygulama ihtiyacıyla birlikte iş kazalarının yaşanmaması oldukça kritiktir. Özellikle tünel içinde düzgün olmayan kesitlerde geleneksel çelik donatıların taşınması ve yerleştirilmesi son derece zahmetli ve ciddi güvenlik riskleri oluşturabilecek bir süreçtir. Makro sentetik fiber donatılı püskürtme beton uygulamalarındaysa hazır bir şekilde sahaya gelen fiberle güçlendirilmiş betonla kaplama imalatı çok daha hızlı ve güvenli bir şekilde icra edilmektedir. Kazı güvenliğinde sağlanan faydanın yanı sıra beton imalatının hızlanması sayesinde inşaat süresi kısalmakta, işçilik giderleri azalmakta ve sistem maliyeti büyük oranda düşmektedir. Hızlanan imalatlar tünellerin daha erken hizmete açılmasını sağlar. Sentetik fiber donatıların püskürtme beton imalatlarına bir diğer önemli faydasıysa yüksek basınçla püskürtülen betonun bir kısmının yüzeye çarpma anında geri sıçrayarak kaybedilmesidir. Özellikle mikro sentetik fiberlerin betonda sağladığı yüksek tutuculukla bu geri sıçrama büyük oranda azaltılarak beton zayiatları minimize edilmektedir. Tünel inşaatlarında püskürtme beton sonrasında imalatı yapılan nihai kaplama betonlarında makro sentetik fiber donatılar kullanılabilmektedir.

Teknik uzmanlar tarafından ilgili standartlar doğrultusunda projede gereken artık eğilme mukavemeti ve enerji yutma kapasitesi hesaplanmaktadır. Bu mühendislik hesaplamalarında beton kalınlığı zemin kaya sınıfı ve yük analizi gibi parametreler kullanılmaktadır. Akabinde tasarımı karşılayan fiber donatılı beton reçetesinin belirlenmesi için deneysel çalışmalar yapılmakta ve fiber dozajının tayin edilmesi için püskürtme betonlarda plaka numuneleri, nihai kaplama betonlarındaysa kiriş numuneleri hazırlanmaktadır. Hazırlanan numuneler uygun koşullarda yirmi sekiz gün boyunca kürlendikten sonra akredite laboratuvarlarda test edilmektedir.

Aynı zamanda fiber dozajına göre betonun pompalanabilirliği ve gereken kıvam özellikleri göz önünde bulundurularak agrega granülometrisi ve kimyasal katkı oranları belirlenmektedir. Testler sonucunda dozajı belirlenen fiber donatılar beton santralindeki taşıyıcı bantlar ya da dozimetre aracılığıyla betona karışımına katılmaktadır. Elde edilen homojen dağılımlı betonun eğilme direncini arttırarak her noktada etkin çatlak kontrolü sağlamakta ve tünelin servis ömrü boyunca yapısal güvenliğini korumaktadır.