YAPI MALZEMESİNDE ÖZEL KONULAR Yüksek Performanslı betonlar

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİNDE ÖZEL KONULAR Doç. Dr. Halit YAZICI Yüksek Performanslı betonlar

2 TAZE BETON ÖZELLĐKLERĐ

3 TASARIM Lifli beton üretilmeden önce betonun nerede kullanılacağı, yapının esası ya da bir parçası mı olacağı, yapıda hangi etkiler altında kalacağı ve bu betondan beklenen özellikler açıkça belirtilmelidir. Daha sonra bu mevcut ve beklenen koşulların sağlanmasında en yüksek performansa uygun malzeme (lif tipi, boyutları ve dozajı, çimento, agrega) seçilmelidir.

4 KARIŞIM ESASLARI Normal beton üretimi ile benzeşimler gösterse de lifli beton üretiminde lif kullanımı sonucu bir takım farklılıklar vardır. Çelik lifli betonlar için matris özelliklerini geliştirmek amacıyla bir dizi öneri getirilmiştir. Portland ya da katkılı Portland Çimentosu kullanılmalı, Maksimum S/Ç oranı 0.55 alınmalı, Minimum çimento dozajı 320 kg/m 3 olmalı, Kum miktarı toplam agrega kütlesinin en az %40-55 i ( kg/m 3 ) olmalı, Karışımlarda doğal kum kullanılmalı, Matrisi güçlendirmek için puzolan (uçucu kül, silika dumanı) kullanılmalı, Korozyona dayanıklılık için kaplanmış lifler kullanılmalı, Dmax doğal agrega için 28 mm, kırma taş için 32 mm olmalı, 16 mm den büyük agrega oranı %15-20 ile sınırlandırılmalı, Betonun karakteristik basınç mukavemeti en az 20 MPa olmalı, Đşlenebilirlik sağlaması için akışkanlaştırıcı kullanılmalı,

5 Betona ilave edilebilecek maksimum çelik tel miktarı, kg/m 3, (TSE 10515) Uzunluk/çap=60 Uzunluk/çap=75 Uzunluk/çap=100 Dmax (mm) normal pompa normal pompa normal pompa

6 ĐŞLENEBĐLĐRLĐK Lifli betonların işlenebilirliğini etkileyen faktörler: - Maksimum tane çapı - Tane dağılımı, - Lif hacmi, - Lif tipi, - Lif görünüm oranı, - Su/çimento oranı, - Sıkışık hava miktarı. Lifli betonlarda işlenebilirliği azaltan en önemli iki parametre: - Karışımdaki lif hacmi, - Lif görünüm oranı (uzunluk/çap).

7 LĐF MĐKTARI, LĐF GÖRÜNÜM ORANI VE ĐŞLENEBĐLĐRLĐĞĐN DEĞĐŞĐMĐ

8 ĐŞLENEBĐLĐRLĐK DENEYLERĐ SLUMP DENEYĐ SAĞLIKLI SONUÇLAR VERMĐYOR! GÖRECELĐ OLARAK KULLANILABĐLĐR. VE-BE DENEYĐ LĐFLĐ BETONLAR ĐÇĐN EN UYGUN ĐŞLENEBĐLĐRLĐK DENEYĐ. TERS KONĐ DENEYĐ YÜKSEK ORANDA AKIŞKANLAŞTIRILMIŞ BETONLAR ĐÇĐN UYGUN DEĞĐL

9 LĐFLĐ BETONLARIN KÜRÜ STANDART KÜR YETERLĐ BĐR KÜR YÖNTEMĐ! ISIL ĐŞLEM (HIZLANDIRILMIŞ KÜR YÖNTEMLERĐ) PREFABRĐK ELEMANLAR ĐÇĐN HIZLI VE EKONOMĐK!

10 SERTLEŞMĐŞ BETON ÖZELLĐKLERĐ

11 ÇELĐK LĐFLĐ BETONLARIN MEKANĐK ÖZELLĐKLERĐ ŞU FAKTÖRLERDEN ETKĐLENĐR: LĐFLERĐN Tipi, Geometrisi, Görünüm oranı, Hacmi, Uyumu, Dağılımı, MATRĐSĐN Dayanımı, Maksimum agrega tane boyutu, NUMUNENĐN Boyutları, Geometrisi, Hazırlama metodu.

12 NORMAL BETONUN YÜK ALTINDA DAVRANIŞI - OA arası doğrusal Maksimum gerilmenin yaklaşık %40 ı Bu doğrunun eğimi Elastisite Modülü - A noktasından sonra eğriselleşir Maksimuma ulaştığı B noktası Basınç Dayanımı - Basınç dayanımından sonra hızla gerilmeler azalır, deformasyonlar artar Gerilme f c A B C Birim deformasyon 0 ε 0 ε C VOELLMY PARABOLU SMITH-YOUNG FONK. DEFORMASYON ĐŞĐ f = fc ε (2 ε ε ) 0 ε 0 ε (1 ) ε 0 ε f = fc e W ε 0 = ε 0 P*δε

13 LĐFLĐ BETONUN YÜK ALTINDA DAVRANIŞI Yük - OA arası doğrusal A noktası ilk çatlama yükü B B I Lifli Beton -A noktasından sonra eğriselleşir Matrisin göçmesi ile (B) yük azalması görülür A Normal Beton - Gerilmelerin liflere aktarılması ile taşınabilen yük lif miktarına bağlı olarak bir miktar daha artar Deformasyon

14 LĐFLĐ BETONUN YÜK ALTINDA DAVRANIŞI Lifli betonda gerilme iki faz tarafından taşınmaktadır. Sürekli ortamı teşkil eden matris Yükleme öncesi Yükleme sonrası Süreksiz ve rasgele dağılımlı lifler LĐFLER, GERĐLME DOĞRULTUSUNA PARELELLĐKLERĐ ÖLÇÜSÜNDE ETKĐNDĐRLER.

15 YÜK TRANSFERĐ Lifli betonlarda gerilme matristen life kayma kuvvetleri ile aktarılır. l dx Lif P P Matris x σ(x) P(x) 2r τ (x) σ(x)+dσ P(x)+dP τ (x) dx

16 ÇATLAK YAYILMASI Normal betonlarda herhangi bir çatlağın yayılması için gerekli enerji düşüktür ve genellikle böyle bir çatlağın oluşması için gerekli enerjinin yaklaşık yarısı kadardır. Lif Lif Lif Çatlak Çatlak Çatlak Matris Matris Matris

17

18 ÇATLAK YAYILMASI Lifli betonda ise gerilme transferi sebebiyle çatlağın yayılması için çatlağın oluşması için gereken enerjiden daha fazla enerji gereklidir. Bu durum çatlağın yayılması yerine sağlam bölgelerde yeni çatlakların oluşmasını kolaylaştırır. Böylece daha fazla enerji sönümlenir. Kompozit göçmeden daha fazla deformasyon yapabilir. lifsiz lifli

19 ENERJĐ YUTMA KAPASĐTESĐ Betonun yük altında sönümlediği enerji miktarı olarak tanımlanır. Eğilme deneylerindeki yük-deformasyon grafiği kullanılarak hesaplanır. Yük P max Tb Yük-deformasyon eğrisi altında kalan alan; Deney numunesi boyutlarından, Deney düzeneği yükleme tipinden, Yükleme hızından etkilenir. δ tb =l/150 Deformasyon

20 TOKLUK ĐNDEKSLERĐ Đlk çatlak tokluğu Elastik şekil değiştirme indeksi ĐÇT=P.δ/2 I5=OACD/OAB Performans kontrolü Tokluk indeksleri yük I10=OAEF/OAB I30(I20)=OAGH/OAB Đlk çatlak anına kadar doğrusal elastik davranışı, daha sonra plastik davranışı açıklar. Pmax A C E G 15,5δ δ 3δ 5,5δ sehim O B D F H

21 TOKLUK ĐNDEKSLERĐNĐN DEĞERLENDĐRĐLMESĐ I10/I5=2 I30/I10=3 mükemmel plastik hareket (gerilme sabit deformasyon artıyor) mükemmel plastik hareket (gerilme sabit deformasyon artıyor) Bu değerlerden küçük iseler düşük performans BAZ ALAN ĐNDEKS EĞĐLME KRĐTER TERĐ LĐFSĐZ Z BETON ELASTĐK- PLASTĐK MALZEME LĐFLĐ BETON OACD I5 3 1,0 5,0 1-6 OAEF I10 5,5 1,0 10, OAGH I20(I30) 15,5 1,0 20,0 1-25

22 EĞĐLME DAYANIMI Normal betonların mekanik özelliklerini etkileyen faktörlerin yanında; Lif içeriği, Lif geometrisi, Liflerin matristeki yönelimlerinden etkilenir. Đlk çatlak dayanımı ve sınır eğilme dayanımı kompozit malzeme yaklaşımı ile tahmin edilebilir: σ c =A.σ m.(1-v f )+B.V f.l/d Burada; σ c : kompozitin dayanımı σ m : matrisin dayanımı V f : lif hacim fraksiyonu l/d: lif görünüm oranı A,B: sabitler SWAMY e göre Kompozitin ilk çatlak dayanımı için A=0.843, B=2.93 Kompozitin maksimum dayanımı için A=0.97, B=3.41

23 BASINÇ DAYANIMI Nihai yükte belirgin bir artış olmamasına karşın lifli beton tek eksenli yükleme altında daha sünek davranabilmektedir. Yükleme düzlemine dik olan lifler basınç gerilmesinde herhangi bir işlev üstlenmez. Yükleme düzlemine paralel lifler basınç gerilmesinin artışına duyarlıdır, sünekliği arttırılar.

24 PARLAK KESĐT ĐNCELEMELERĐ (50x) (50x) (50x) (50x)

25 PARLAK KESĐT ĐNCELEMELERĐ Çıplak gözle bakıldığında pürüzsüz gibi görünen liflerle çimento matrisi arasında iyi bir aderans var. (1000x) Yüksek çelik lif dozajlarında sıkıştırma zorluklarından kaynaklanan boşluklar (50x)

26 GENEL DEĞERLENDĐRME Çelik lifler, yüksek performanslı kazançlar sağlanmaktadır. betonların özelliklerine önemli Betonun basınç dayanımı ve elastisite modülü çelik lif kullanımı ile pek değişmezken çekme ve eğilme dayanımları artışlar kaydetmiştir. Özellikle bu çalışmanın birinci derecede önemli amacı olan süneklikte çok yüksek artışlar sağlandığı görülmüştür.

27 LİFLİ BETONUN MEKANİK PERFORMANSINI ETKİLEYEN PARAMETRELER Lif tipi Lif miktarı Lif görünüm oranı (Narinliği) Lif boyunun çapına oranı Lif çekme dayanımı, matrisle mekanik uyum Liflerin matris içerisinde yükün uygulandığı doğrultuya göre pozisyonu (yönelim) Enkesit içerisinde liflerin homojen dağılıp dağılmadığı

28 Lif tipinin etkisi Banthia ve Trottier, 1992 ( ekil Bayramov 2004 den uyarlanmıştır)

29 Lif miktarının etkisi Banthia ve Trottier, 1992 ( ekil Bayramov 2004 den uyarlanmıştır)

30 Lif narinliğinin etkisi Gao v.d, 1997 ( ekil Bayramov 2004 den uyarlanmıştır)

31 TOKLUK ÖLÇÜMÜ Yüksek tokluk çelik lif donatılı betonların en önemli özelliğidir. TOKLUK (ENERJİ YUTMA KAPASİTESİ) BELİRLİ BİR SEHİME KADAR YÜK SEHİM EĞRİSİNİN ALTINDA KALAN ALAN OLARAK TANIMLANIR. TOKLUK ÖLÇÜMÜ DEĞİ İK STANDARTLARDA DEĞİ İK DENEY YÖNTEMLERİYLE BELİRLENEBİLİR. BUNLARDAN EN YAYGIN OLANI ASTM C1018 (1997) DİR. ASTM C1018 E GÖRE TOKLUK ÖLÇÜMÜİÇİN DÖRT NOKTALI EĞİLME DENEYİ UYGULANMAKTADIR.

32 TOKLUK İNDİSLERİ

33 ASTM C1018 e Göre Tokluk İndeksleri düşükse çatlaktan sonra enerji yutma kapasitesi düşük demektir. ÇATLAMADAN SONRA SEHİM ARTTIKÇA LİFLİ KOMPOZİTTEKİ HASARIN DERECESİ KALICI DAYANIM FAKTÖRLERİİLE DEĞERLENDİREBİLİR

34 ÇELİK LİF DONATILI BETONLARDA İ LENEBİLİRLİK Lif tipi Lif miktarı Liflerin görünüm oranı Karışım oranları Agrega miktarı, maksimum çapı ve gradasyon LİFLİ BETONUN İ LENEBİLİRLİĞİNİ ETKİLER BETONA LİF İLAVESİİ LENEBİLİRLİĞİ DÜ ÜREBİLİR! İ LENEBİLİRLİK KONTROL EDİLMELİDİR! HAMUR HACMİNİN ARTTIRILMASI, KABA AGREGA MİKTARININ AZALTILMASI VE İNCE GRADASYON SEÇİLMESİ UYGUN İ LENEBİLİRLİĞE YARDIMCI OLABİLİR

35 ÇELİK LİFLİ BETONLAR İÇİN TİPİK KULLANIM ORANI %0.25 İLE %1.5-2 ARASINDA DEĞİ MEKTEDİR. LİF İLAVESİ ÇÖKME DEĞERİNİ KARI IM ORANLARI, LİF TİPİ VE MİKTARINA BAĞLI OLMAK ÜZERE mm ARASINDA AZALTABİLİR! KURU KARI IMLAR İÇİN UYGUN OLAN VeBe TESTİ LİFLİ BETONLAR İÇİN DE UYGUNDUR. ÇÖKME KAYBININ LİFSİZ BETONLARLA BENZER OLDUĞU LİTERATÜRDE BELİRTİLMEKTEDİR (ACI-544)

36 LİF DONATILI KENDİLİĞİNDEN YERLE EN BETONLAR LİFLİ BETONLARIN İ LENEBİLİRLİĞİ LİFSİZ BETONA GÖRE DAHA DÜ ÜKTÜR. LİFLİ BETON DÖKÜMÜ ESASEN OLDUKÇA KOLAY OLMASININ YANINDA GÖRECELİ OLARAK DAHA İYİ PLANLAMA VE İ ÇİLİK GEREKTİRİR. LİF DOZAJI ARTTIKÇA LİFLİ BETONLARIN ETKİLİ BİR EKİLDE SIKI TIRILMASI ZORLA MAKTADIR. LİFLİ BETONLAR ETKİLİ SIKI TIRMANIN, HOMOJEN LİF DAĞILIMININ SAĞLANMASI, HAPSOLMU HAVA BO LUKLARININ AZALTILMASI VE LİF EKLENMESİİLE VİBRASYON İHTİYACINI AZALTACAK EKİLDE YETERİNCE AKICI KIVAMDA DİZAYN EDİLMELİDİR.

37 Kalıba kolayca yerleşebilen ve etkili sıkıştırmanın herhangi bir ek vibrasyon enerjisine gerek duyulmadan başarılabildiği kendiliğinden yerleşen betonların kullanımı, daha başarılı lifli kompozitlerin oluşturulması açısından yararlı olabilir. Lifli betonların lifsiz betonlara göre işlenebilirliklerinin düşüklüğü ve daha iyi işçilik gereksinimi, maliyetleri üzerinde dikkate alınmaya değer bir artışa neden olmaktadır. Kendiliğinden yerleşebilen lifli betonların kullanımı işçilikten sağlanacak kazanç ve döküm hızında yol açacağı artış ile toplam maliyette azalmaya neden olabilir. Fakat lifli KYB de tıpkı lifsiz KYB gibi sadece kendi ağırlığı altında, başka hiçbir sıkıştırma enerjisine ihtiyaç duymadan kalıba yerleşip sıkışabilmeli, dar kesitlerden geçebilmeli ve herhangi bir bloklanma ve segregasyona uğramadan kesitte homojen lif dağılımını sağlayabilmelidir.

38 * LİF TİPİ * LİF MİKTARI * LİF GÖRÜNÜM ORANI (NARİNLİĞİ) * KYB KARI IMIN DİZAYNI YÜKSEK HAMUR HACMİ SINIRLI MAX. AGR. ÇAPI DÜ ÜK KABA AGREGA HACMİ LİF DONATILI KENDİLİĞİNDEN YERLE EN BETONLARIN PERFORMANSINI ETKİLEYEN EN ÖNEMLİ PARAMETRELERDİR!

39 İ LENEBİLİRLİĞİN DEĞİ İK DENEYLERLE GÖRECELİ OLARAK KONTROLÜ ÖNEMLİDİR!

40 GEÇİ YETENEĞİ İHTİYACA GÖRE TEST EDİLMELİDİR LİFLİ KENDİLİĞİNDEN YERLE EN BETONLARIN İ LENEBİLİRLİĞİNE YÖNELİK STANDARTLA MI TEST YÖNTEMLERİ HENÜZ TAM OLARAK GELİ TİRİLEMEMİ TİR. GÖRECELİ TESTLER TAZE BETONUN YERİNDEKİ PERFORMANSI HAKKINDA FİKİR VEREBİLİR

41 Lif tipi ve dozajının yayılma çapına etkisi Beton hacminin %0.2 si kadar cam lifi veya polipropilen lif kullanılması çökme yayılma değerinde %34 e varan azalmaya yol açmaktadır. Bu açıdan çelik lif daha iyidir. Çalışmada bu durum, PP ve cam lifinin inceliğine bağlı olarak açıklanmıştır. Bu tip liflerin ıslatılması için çelik life göre incelikleri ile orantılı olarak daha fazla su gerekecek ve karışım suyundaki denge bozulacaktır (Walraven).

42 Kullanılabilecek Lif Dozajı Karışım Özelliklerine Büyük Ölçüde Bağlıdır!

43

44 GEÇİ YETENEĞİ AÇISINDAN SERİLERİN DURUMU Grünewald & Walraven, 2001

45 (kg/m 3 ) A B C D Çimento Uçucu Kül Su Kırma kum (KYD) Kırmataş (KYD) Kimyasal Katkı 7 (1,6) * 7,4 (1,6) * 9 (1,7) * 13 (2,1) * O r a n s a l D e ğ e r l e r Su / çimento 0,49 Su / bağlayıcı 0,40 0,37 0,33 0,30 Uç.kül / bağlayıcı 0,20 0,24 0,33 0,40 Toplam toz (kg) Hamur hacmi ** 0,38 0,39 0,42 0,44 ince / kaba agrega 1,80 ***

46 C C C C D D ZP305 (l/d=55) kg/m RC80/60 (l/d=80) kg/m

47 Toplam bağlayıcı (kg/m3) Yayılma çapı (cm) Yayılma çapı (cm) t50 süresi (sn) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 t50 süresi (sn) LİFSİZ SERİLER ,20 0,24 0,33 0,40 Toplam bağlayıcı (kg/m3) Uçucu kül / toplam bağlayıcı Bloklanma oranı (h2/h1) 0,95 0,9 0,85 0,8 0, V kutusu akış süresi (sn) 0,7 0,20 0,24 0,33 0,40 Uçucu kül / toplam bağlayıcı 0 Bloklanma oranı (h2/h1) V kutusu akış süresi (sn)

48 Yayılma çapı (cm) Lif dozajı (kg/m3) t50 süresi (sn) Yayılma çapı (cm) t50 süresi (sn) C SERİSİNDE ARTAN LİF DOZAJINA KAR ILIK YAYILMA ÇAPI VE 50 cm ÇAPA YAYILMA SÜRESİİLİ KİSİ

49 Bloklanma oranı (h2/h1) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Lif dozajı (kg/m3) B L O K L A N D I B L O K L A N D I C SERİSİNDE ARTAN LİF DOZAJINA KAR ILIK BLOKLANMA EĞİLİMİ

50 80 75 Yayılma Çapı (cm) ,2 0,4 0,6 0,8 1 Lif Faktörü (Vf.l/d) C serisi (Vhamur=0,42) D serisi (Vhamur=0,44) Bloklanma Oranı (h2/h1) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Lif Faktörü (Vf.l/d) C serisi (V hamur=0,42) D serisi (V hamur=0,44)

51 ÇELİK LİFLİ KENDİLİĞİNDEN YERLE EN BETONLARIN MEKANİK ÖZELLİKLERİ ÇLKYB DE MEKANİK ÖZELLİKLER ÇELİK LİFLİ GELENEKSEL BETONLARDAN ÇOK DA FARKLI OLMAMASINA RAĞMEN, AKI ÖZELLİKLERİNDEN OLDUKÇA FAZLA ETKİLENİR. ÇLKYB DE LİFLER AKI DOĞRULTUSUNDA YÖNLENME EĞİLİMİ GÖSTERİRLER! ÇLKYB DE TIPKI GELENEKSEL ÇELİK LİFLİ BETONLAR GİBİ ÖZELLİKLE EĞİLME YÜKLERİ ALTINDA YÜKSEK SÜNEKLİK ÖZELLİĞİ GÖSTERİRLER.

52 ÇİMENTOLU MALZEMELERİN ÇEKME DAVRANI I

53

54

55 Yük (N) kg/m 3 ZP kg/m 3 ZP Lifsiz 20 kg/m 3 ZP ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Deplasman (mm) KARI IM ÖZELLİKLERİ Toplam toz: 580 kg/m3 Su/bağlayıcı: 0.32 İnce/kaba agr: 1.72 Yayılma çapı (mm) Basınç Day.. (MPa( MPa) Eğilme Day.. (MPa( MPa) Lifsiz kg/m kg/m kg/m Kırılma En (N/m)

56 40 kg/m3 ZP kg/m3 RC80/60 60 kg/m3 RC80/60

57 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİNDE ÖZEL KONULAR Doç. Dr. Halit YAZICI Yüksek Performanslı betonlar