Beton Harcının Dayanım ve Dona Dayanıklılığının İyileştirilmesi için Farklı Tür Puzolan Kullanımı

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng. J. of Fırat Univ. 17 (3), , (3), , 2005 Beton Harcının Dayanım ve Dona Dayanıklılığının İyileştirilmesi için Farklı Tür Puzolan Kullanımı Ö.Faruk DURSUN*, Kazım TÜRK* ve M. Şükrü YILDIRIM** *Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Elazığ **Trakya Üniversitesi Çorlu Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Edirne (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Bu çalışmada, Yeniköy cürufu ve Ergani trası %2 ile %10 arasında değişen oranlarda Portland çimentosunun yerine kullanılarak 4x4x16 cm ebadında numuneler üretilmiştir. Her bir Puzolan türü için 5 seri ve 1 seri de puzolansız olmak üzere toplam 11 seri beton harç numunesi hazırlanarak, numuneler üzerinde basınç ve çekme dayanımı ve donma-çözülmeye dayanıklılık deneyleri yapılmıştır. Çimentonun yerine cürufun %6 oranında veya trasın %8 oranında kullanılması durumunda, numunelerin daha yüksek çekme ve basınç dayanımına sahip oldukları ve donma-çözülmeye karşı daha iyi dayanıklılık gösterdikleri deney sonuçlarından görülmüştür. Anahtar Kelimeler : Harç, Çimento,,, Dayanım, Donma-Çözülmeye Dayanıklılık. Use of Different Kinds Puzolan for Improving Strength and Freezing-Thawing Durability of Mortar Abstract: In this study, 4x4x16 cm sized mortar specimens were produced by using Yeniköy slag and Ergani trass which proportion of puzolans varied between 2% to 10% replacement Portland cement. 11 series mortar specimens including 5 series for kind of each puzolan and 1 series without puzolan were prepared. Compressive and tensile strengths and freezing-thawing durability of these mortar specimens were experimentally determined. The results indicated that when 6% Yeniköy slag or 8% Ergani trass was used replacement Portland cement, the highest compressive and tensile strength and the best freezing-thawing durability were obtained. Key Words: Mortar, Cement, s, Slag, Strength, Freezing-Thawing Durability. 1. Giriş İnsanların su içinde de priz yapabilen, su etkisiyle erimeyen bağlayıcı üretme çabaları çok eski çağlara kadar uzanır. Sorunun kesin çözümü çimentonun icadı ile mümkün olabilmiştir. Pişmiş ve öğütülmüş kil yapay bir tras, doğal volkanik camlar ise doğal bir tras türü olarak bilinir. Puzolanlar kimyasal olarak SiO 2 ve az miktarda Al 2 O 3 den oluşan maddelerdir. Suyla karıştırıldıklarında çamur haline gelir, kuruduktan sonra tekrar eski hallerine dönerler. Ancak bunlar kireçle karışırlarsa bağlayıcılık kazanır ve suda erimeyen bir kalsiyum silikat tuzuna dönüşürler [1]. Eğer bir malzeme kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girebiliyorsa, o malzeme için puzolanik aktiviteye sahiptir denilir ve puzolan diye adlandırılır. Puzolanik reaksiyon, CH+S+H C-S-H şeklindedir [2]. Çoğu betonlar ve harçlar asıl bileşen olarak normal portland çimentosu ihtiva ederler. Sağlam bir mikro-yapı oluşumu, su/çimento oranına, karışım oranına ve kür şartlarına v.b. bağlıdır. Ancak, normal portland çimentolu karışımlar : (a) su ve kimyasal hücumunun hızlı geçişine müsaade eden çimento hamuru ve ara yüzey geçiş bölgesi boşluğu [3] (b) hidratasyon esnasında yüksek seviyede kalsiyum hidroksit üretimi [4] gibi olumsuzluklara hassas olabilirler. Kalsiyum hidroksit az çözülebilen ve reaktif bir malzemedir [3]. Günümüzde, birkaç modern beton karışımları puzolanik

2 Ö. F. Dursun, K. Türk ve M. Ş. Yıldırım reaksiyon vasıtasıyla kalsiyum hidroksitin tüketilmesi sonucu kalsiyum hidroksit konsantrasyonu azaltılarak ve de mikro-yapıyı sağlamlaştıran katkılar ve ilaveler kullanılarak iyileştirilmektedir. Çimento bileşiminin mikro-yapısında yapılan bu değişim, dayanıklılık ve hizmet-ömrü özelliklerini olumlu yönde etkilemektedir[5]. Bu çalışmada, katkısız normal portland çimentosuyla üretilen harcın dayanım ve donmaçözülmeye dayanıklılığının arttırılması için puzolan olarak kullanılan Yeniköy cürufu ve Ergani trasının oransal değişiminin beton harcı davranışına etkisi deneysel olarak incelenmiştir. 2. Malzemeler 2.1. Volkanik cüruf Deneylerde kullanılan volkanik cüruf; E1azığ, Yeniköy yöresinde bulunan volkanik cüruf ocağından temin edilmiştir. Bu ocak E1azığ şehir merkezinin 7 km güneyinde bulunan Yeniköy köyünün sırtlarında yer almaktadır. Mikroskobik özellikleri bakımından oldukça fazla hava kabarcıklı boşluklar içeren bir malzemedir. Kırıldığında keskin kenarlı olup, yapısındaki mineraller gözle görülebilmektedir. Kimyasal yapısı bakımından, organik madde ve kil içermemektedir. Fakat çok az miktarda sülfat ve %0.36 oranında yanıcı madde ihtiva etmektedir Deneylerde kullanılan tras Diyarbakır İli Ergani İlçesi yöresine aittir. Bu trasa ait bazı kimyasal ve fiziksel özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Ergani trası ayrıca, %88.51 oranında çözünmeyen kalıntı ile birlikte kızdırma kayıplarında %13 e kadar yükselebilen az miktarda SO 3, TiO 2 ve MnO içermektedir Çimento Bu çalışmada Elazığ Altınova Çimento Fabrikası A.Ş. nin üretmiş olduğu Portland çimentosu (PÇ 325) kullanılmıştır. Söz konusu çimentoya ait kimyasal ve fiziksel özellikler de yine Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Deneylerde kullanılan Portland Çimentosu ve Ergani trasına ait kimyasal ve fiziksel özellikler Numune Portland Çimentos u Ergani ı SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO Kızdırma Kaybı Na 2 O +K 2 O Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) Özgül Yüzey (cm 2 /gr) %93.28 < 90µ 3. Numunelerin Hazırlanması Harç Numuneleri, Elazığ Fırat üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Laboratuarında, öğütülmüş Ergani trası ve Yeniköy cürufunun katkısız normal portland çimentosu (PÇ 325) yerine değişik oranlarda kullanılmasıyla elde edildi. Deneylerde 1 seri puzolansız sadece Portland çimentosu kullanılarak ve 5 er serisi de cüruf ve trasın ayrı ayrı % 2, 4, 6, 8 ve 10 oranlarında çimento yerine katılmasıyla toplam 11 seri numune döküldü. Ayrıca her seri için 3 numune kullanıldı. 4x4x16 cm boyutlarında hazırlanan numune serilerine ait karışım oranları Tablo 2 de verilmiştir. Numuneler Rilem Cembureau deneyi için hazırlanmış olan çelik kalıplar yardımıyla döküldü. Numuneler, dökümünden 24 saat sonra kalıptan çıkarılarak toplam 28 gün 20 0 C de kireçli suda bekletilmeye bırakıldı. 482

3 Beton Harcının Dayanım ve Dona Dayanıklılığının İyileştirilmesi için Farklı Tür Puzolan Kullanımı Tablo 2. Numunelere ait karışım oranları Numune No Çimento Su Su/Çimento Standart Kum Puzolansız % % % % % % % % % % Deneysel Program 4.1. Çekme ve basınç deneyleri Numunelere ait çekme dayanımlarının belirlenmesi amacıyla, 28 gün kür edilmiş 4x4x16 cm boyutundaki numuneler, Şekil 1 deki gibi üç noktalı eğilme deneyine maruz bırakıldı. Çekme 3 ( Fxl) dayanımı değerleri σ ç = formülü yardımıyla hesaplandı. 2 2 bxh ( ) b F h l l/2 l/2 Şekil 1. Beton numunelerin çekme - eğilme deneyi (h=b= 4 cm ve l= 16 cm) Basınç dayanımı tespiti için ise, numuneler kırma presi yardımıyla eksenel basınca maruz F bırakıldı. Numunelere ait basınç dayanım değerlerinin hesabı için σ b = bağıntısı kullanıldı. A Bu bağıntılarda kullanılan semboller, σ : çekme gerilmesini (N/mm 2 ) ç σ : basınç gerilmesini (N/mm 2 ) b F : uygulanan kuvveti (N) h, b, a,l : numunenin boyutlarını (mm) temsil etmektedir. 483

4 Ö. F. Dursun, K. Türk ve M. Ş. Yıldırım 4.2. Donma-çözülme deneyi Hazırlanan her bir beton harç numunesinin, (110 ± 5) C' de sabit kütleye ulaşana kadar etüvde kurutulduktan sonra ölçülen ağırlığı W 1 ve daha sonra 20 0 C sıcaklıkta 24 saat süreyle bekletilerek suya doygun hale getirilip tartılan ağırlığı W 2 olmak üzere; numunenin su emme miktarı ( W2 W1 ) S a = x 100 bağıntısıyla bulundu. Suya doygun hale gelmiş numuneler dondurucu içerisine W1 yerleştirilerek C sıcaklıkta 14 saat süreyle dondurucuda bekletildikten sonra numuneler 20 0 C oda sıcaklığında 10 saat süreyle çözülmeye bırakıldı. Bu donma-çözülme işlemi 10 defa tekrarlandıktan sonra, numuneler (110 ± 5) C' de sabit kütleye ulaşana kadar etüvde kurutuldu, daha sonra oda sıcaklığında soğutulup hemen tartıldı (W 3 ). Donma-çözülme devirleri sonunda numunelerde ( W1 W3 ) oluşan ağırlık kaybının hesabı için W k = x 100 formülü kullanıldı. W Burada göstermektedir. S ağırlıkça su emme yüzdesini ve 5. Deneysel Bulgular ve Tartışma 5.1. Çekme ve basınç dayanımı a 1 Wk numunelerde oluşan ağırlık kaybı yüzdesini Puzolansız ve çimento yerine cüruf ve tras puzolanları kullanarak üretilen numunelere ait çekme ve basınç deneylerinden elde edilen sonuçlar sırasıyla Şekil 2 ve 3 te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi, çimento ile birlikte cürufun %6 oranında ve trasın ise %8 oranında kullanılması durumlarında numunelere ait çekme ve basınç dayanımları artmaktadır. Bunun yanında, cürufun %6 oranı dışındaki katılma oranlarının çekme dayanımını düşürdüğü ve bu orana kadar olan katılma oranları için ise basınç dayanımına katkıda bulunduğu gözlenmektedir. Çekme Dayanımı (N/mm²) 6,2 6 5,8 5,6 5,4 5,2 5 4,8 4,6 Katkı Şekil 2. Numunelerin katkı yüzdesi değerlerine karşılık gelen çekme dayanımları 484

5 Beton Harcının Dayanım ve Dona Dayanıklılığının İyileştirilmesi için Farklı Tür Puzolan Kullanımı Basınç Dayanımı (N/mm²) Katkı Şekil 3. Numunelerin katkı yüzdesi değerlerine karşılık gelen basınç dayanımları 5.2. Donma-çözülmeye dayanıklılık Şekil 4 ve 5 te, puzolansız ve puzolanlı numunelere ait katkı miktarına karşılık sırasıyla su emme ve ağırlık kaybı yüzdelerini gösteren grafikler verilmiştir. Şekil 4 te görüldüğü gibi, su emme miktarı puzolan artışına rağmen önemli bir değişim göstermemektedir. Bunun yanında, su emme miktarının, trasın %8 ve cürufun %6 oranında kullanılması halinde daha az arttığı görülmektedir. 0,08 0,07 0,06 Su emme 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Katkı Şekil 4. Katkı yüzdelerine göre su emme miktarları 485

6 Ö. F. Dursun, K. Türk ve M. Ş. Yıldırım 0,006 0,005 Ağırlık Kaybı 0,004 0,003 0,002 0,001 0 Katkı Şekil 5. Katkı yüzdelerine göre ağırlık kayıpları Bununla birlikte katkı miktarlarına bağlı olarak numunelerdeki ağırlık kaybı değişiminde çok büyük farklılıklar oluştuğu görülmektedir (Şekil 5). Özellikle, cürufun %6 dan sonraki katılma oranlarında numunelerde ağırlık kaybı artış gösterdiği ve dolayısıyla donma-çözülmeye karşı dayanıklılığın oldukça azaldığı dikkat çekicidir. Ağırlık kayıplarında azalmanın yine çimento yerine kullanma oranları bakımından cüruf için %6 ve tras için ise %8 olarak gerçekleşmesi deney sonuçları arasında önemli bir tutarlılığı ortaya koymaktadır. 6. Sonuçlar Beton harçlarında çekme ve basınç dayanımları ile donma-çözülmeye dayanıklılığın iyileştirilmesi amacıyla farklı tür puzolan kullanımının etkisini araştırmak için yapılan deneylerden aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir: 1. Katkısız Portland çimentosuyla birlikte puzolan olarak kullanılan Yeniköy cürufu ve Ergani trasının sırasıyla %6 ve %8 oranlarda karışıma katılmasıyla üretilen beton harç numunelerin çekme ve basınç dayanımları artış göstermiştir. 2. Ayrıca, yukarıda belirtilen oranlarda çimento yerine puzolan katılarak üretilen harç numunelere ait su emme miktarının artış olarak en düşük olduğu ve ağırlık kaybı miktarının en az olduğu dolayısıyla bu oranlar için donma-çözülmeye karşı dayanıklılığın arttığı açıktır. Böylece, puzolan kullanımının beton içerisindeki kılcal boşlukları doldurarak geçirgenliği azalttığı sonucuna varılmıştır. 7. Kaynaklar 1. M. S. Akman, Yapı Malzemeleri, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul, 6s S. Mindess and J. F. Young, Concrete, Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey, 194p P.K. Mehta and J.M. Monteiro, Effect of aggregate, cement and mineral admixtures on the microstructure of the transition zone, in: S. Mindess, P.S. Shah (Eds.), Bonding in Cementitious Composites, Materials Research Society, Pittsbugh, pp , R. Gagne, Cours de Durabilite et reparations des Btons (GCI-714), Chapitre 2: La Durabilite des betons. Universite de Sherbrooke, Canada, 32 p., L. Courard, A. Darimont, M. Schouterden, F. Ferauche, X. Willem and R. Degeimbre, Durability of mortars modified with metakaolin, Cement and Concrete Research, 33, ,