METAKAOLİN KULLANIMININ ÇİMENTO HARÇLARININ MEKANİK VE DURABİLİTE ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ

Transkript

1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) METAKAOLİN KULLANIMININ ÇİMENTO HARÇLARININ MEKANİK VE DURABİLİTE ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Didem ANUK Tez Danışmanı : Doç. Dr. Şemsi YAZICI İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu : Sunuş Tarihi : Bornova-İZMİR 2011

2

3

4

5 III Didem ANUK tarafından Yüksek Lisans Tezi olarak sunulan Metakaolin Kullanımının Çimento Harçlarının Mekanik ve Durabilite Özelliklerine Etkisi başlıklı bu çalışma E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri: İmza Jüri Başkanı : Prof. Dr. Kambiz RAMYAR... Raportör Üye : Doç. Dr. Şemsi YAZICI (Danışman)... Üye : Doç. Dr. Halit YAZICI...

6

7

8

9 V ÖZET METAKAOLİN KULLANIMININ ÇİMENTO HARÇLARININ MEKANİK VE DURABİLİTE ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ ANUK, Didem Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Şemsi YAZICI Temmuz 2011, 81 sayfa Bu çalışmada, kür süresinin, yüksek sıcaklığın, hızlandırılmış kür işlemlerinin ve çimento yerine değişik oranlarda metakaolin (MK) kullanımının harçların mekanik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca harçlarda çimento yerine metakaolin kullanımının, alkali-silis reaksiyonuna, sülfata direncine, su emme ve geçirimliliğe etkileri de çalışma kapsamında araştırılmıştır. Deneylerde çimento yerine ağırlıkça %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında MK içeren harçlar üretilmiştir. 1. grup örneklerin 1, 3, 7, 28, 56, 90, 180 gün standart küre tabi tutulduktan sonra, 2. grup örneklerin hızlandırılmış kür yöntemleri uygulandıktan sonra eğilme ve basınç dayanımları saptanmıştır. Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmış MK içeren harçlarında basınç dayanımları saptanmıştır. Ayrıca MK içeren harçlarda, sülfat etkisinde ve ASR sonucu oluşan genleşmeler ölçülmüştür. MK kullanımının harçların boşluk yapıları üzerindeki etkisini görmek için de harçların su emme miktarları ve geçirimlilik katsayıları belirlenmiştir. Çimento yerine MK kullanılması harçların, eğilme ve basınç dayanımlarını artırmış, ASR ve sülfata bağlı oluşabilecek genleşme değerlerini, su emme miktarlarını ve geçirimliliği azaltmıştır. En yüksek basınç ve eğilme dayanımları %15 MK kullanılan harçlarda elde edilmiştir. Ayrıca ASR ve sülfat etkisinden kaynaklanan en az genleşmeler, su emme miktarları ve geçirimlilik katsayısında en düşük değerler %15 MK içeren harçlarda görülmüştür. Anahtar sözcükler: Metakaolin, hızlandırılmış kür, basınç dayanımı, eğilme dayanımı, alkali-silis reaksiyonu, sülfat etkisi, su emme, geçirimlilik.

10

11

12

13 VII ABSTRACT EFFECT OF METAKAOLIN ON THE MECHANICAL AND DURABILITY PROPERTIES OF CEMENT MORTARS ANUK, Didem MSc in Civil Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Şemsi YAZICI July 2011, 81 pages In this study, the effects of curing time, high temperature, accelerated curing processes and replacement levels of cement by metakaolin (MK) on the mechanical properties of mortars, were investigated. In addition the effects of replacement level of cement by metakaolin on the alkali-silica reaction (ASR), sulfate resistance, water absorption and permeability of mortar were investigated with in the scope of the study. In experiments, mortars substituting 5, 10, 15 and 20 w % replacement of cement by MK were produced. The flexural and compressive strength the first group of samples subjected to standard curing for 1, 3, 7, 28, 56, 90, 180 days and the second group of samples, subjected to accelerated curing process, were determined. Compressive strength of mortars containing MK was also determined after exposing to high temperature. In addition, expansions of mortars containing MK were measured under sulfate attack and alkali-silica reaction. In order to determine the effects of MK on porosity, water absorption values and permeability coefficients of samples were also measured. Replacement of portland cement by metakaolin increased compressive and flexural strength, reduced the expansion values due to ASR and sulfate attack. It also reduced the water absorption values and coefficient of permeability. Mortar containing 15% MK showed maximum compressive and flexural strength. The expansion due to ASR and sulfate attack, water absorption values and permeability coefficients was the lowest in the same mixture. Key words: Metakaolin, accelerated curing, compressive strength, flexural strength, sulfate effect, alkali-silica reaction, water absorption, permeability.

14

15 IX TEŞEKKÜR Yüksek lisans tez çalışmalarımın yürütülmesi sırasında beni değerli bilgi ve birikimleriyle yönlendiren tez danışmanım Sayın Doç. Dr. Şemsi YAZICI ya, Ege Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Yapı Malzemesi Ana Bilim Dalı nın değerli hocalarına, Deneysel çalışmalarımda kullandığım Metakaolini temin eden Mikron s Mikronize Mineral Endüstrisi ve Tic. A.Ş ye, Yüksek lisans tez çalışmalarım boyunca desteği, bilgisi ve yardımları için Yük. İnş. Müh. Hasan Şahan AREL e, Ve hayatım boyunca her türlü desteği ile beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan anneme, babama, ablama, Sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

16

17

18

19 XI İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... V ABSTRACT... VII TEŞEKKÜR... IX ŞEKİLLER DİZİNİ...XVI ÇİZELGELER DİZİNİ... XVIII SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... XX 1. GİRİŞ MİNERAL KATKILAR Mineral Katkıların Çimento ve Beton İçerisinde Kullanılması Puzolanlar Doğal puzolanlar Yapay puzolanlar Puzolanik reaksiyon Puzolanik aktivite Puzolanik malzemelerin kullanımı Puzolan katkıların beton özelliklerine etkileri METAKAOLİN... 12

20 XII İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 3.1 Kaolin Metakaolin Metakaolinin kimyasal bileşimi Metakaolinin puzolanik aktivitesi Metakaolin kullanımının taze beton ve harç özelliklerine etkisi Metakaolin kullanımının sertleşmiş beton ve harç özelliklerine etkisi Metakaolin içeren beton ve harçların yapıları Metakaolin kullanımının sertleşmiş beton ve harçların mekanik özelliklerine etkisi Metakaolin kullanımının beton ve harç durabilitesine etkisi DENEYSEL ÇALIŞMA Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri Çimento Metakaolin Agrega Karışım ve bakım suyu Kimyasal katkı... 33

21 XIII İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 4.2 Harç Karışımlarının Hazırlanması Örneklerin Kürü Standart kür uygulanması Hızlandırılmış kür uygulanması Yüksek sıcaklık uygulanması Deneylerde Kullanılan Örnek Sayısı Uygulanan Deneyler Yayılma deneyi Puzolanik aktivite deneyi Standart ve hızlandırılmış kür uygulanan harçlarda ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi ve tek eksenli basınç deneyi Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmış örneklerde tek eksenli basınç deneyi Alkali-silis reaksiyonu deneyi Sülfata dayanıklılık deneyi Su emme deneyi Geçirgenlik deneyi DENEY SONUÇLARI ve DEĞERLENDİRİLMESİ... 47

22 XIV İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 5.1 Puzolanik Aktivite Deneyi Sonuçları Standart Kür Uygulanan Harçlardan Elde Edilen Mekanik Deney Sonuçları Ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi sonuçları Tek eksenli basınç deneyi sonuçları Hızlandırılmış Kür Uygulanan Harçlardan Elde Edilen Mekanik Deney Sonuçları Ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi sonuçları Tek eksenli basınç deneyi sonuçları Yüksek Sıcaklığa Maruz Bırakılmış Örneklerin Tek Eksenli Basınç Deneyi Sonuçları Alkali-Silis Reaksiyonu Deneyi Sonuçları Sülfata Dayanıklılık Deneyi Sonuçları Su Emme Deneyi Sonuçları Geçirgenlik Deneyi Sonuçları SONUÇLAR ÖNERİLER KAYNAKLAR... 74

23 XV İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa ÖZGEÇMİŞ... 81

24

25 XVII ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 3.1 Kaolin kili ve metakaolinin tipik XRD analizleri Örneklere otojen kür uygulanması Örneklerin ısıtılma ve soğutulma süreçleri Örneklerin geçirimlilik aletine yerleştirilmesi Harçların zaman bağlı eğilme dayanımı gelişimleri Harçların bağıl eğilme dayanımı oranları Harçların zaman bağlı basınç dayanımı gelişimleri Harçların bağıl basınç dayanımı oranları Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların eğilme dayanımları Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların bağıl eğilme dayanım oranları Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların basınç dayanımları Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların bağıl basınç dayanım oranları Harç numunelerinin bağıl basınç dayanımı-sıcaklık ilişkisi ASR Genleşmeleri Sülfat çözeltisinde (50 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri... 63

26 ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 5.12 Sülfat çözeltisinde (150 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Sülfat çözeltisinde (150 g/l) bekletilen numunelerin bağıl genleşme oranları Örneklerin ağırlıkça toplam su emme oranları Emilen su miktarları... 68

27

28 XVIII ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge Sayfa 4.1. Çimentonun ve metakaolinin özellikleri Kullanılan ince agreganın dane dağılımı Kullanılan ince agreganın bazı fiziksel özellikleri Kullanılan kimyasal katkının teknik özellikleri Üretilen harç karışımları için malzeme miktarları (3 adet 40x40x160 mm prizmatik örnek için) Üretilen harç karışımlarının yayılma değerleri Deneylerde kullanılan örnek sayısı ASTM C 1260 standardınca önerilen agrega gradasyonu Alkali-silis reaksiyonu deneyi için hazırlanan harç karışımlarının malzeme miktarları Sülfata dayanıklılık deneyinde kullanılan malzeme miktarları Çalışmada kullanılan metakaolinin puzolanik aktivite indeksi sonuçları Standart küre tabi tutulan harçların eğilme dayanımları Standart küre tabi tutulan harçların basınç dayanımları Hızlandırılmış küre tabi tutulan harçların eğilme dayanımları Hızlandırılmış küre tabi tutulan harçların basınç dayanımları... 55

29 XIX ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Çizelge Sayfa 5.6 Yüksek sıcaklığa maruz bırakılan numunelerin basınç dayanımları ASR genleşmeleri Sülfat çözeltisinde (50 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Sülfat çözeltisinde (150 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Örneklerin 60 günlük geçirgenlik katsayıları... 68

30 XX SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama A Al 2 O 3, Alüminyum Oksit C CaO, Kalsiyum Oksit CEM I Katkısız Portland Çimentosu cm Santimetre cm 2 Santimetrekare dak Dakika F Fe 2 O 3, Demir Oksit g Gram H H2O, Su kg Kilogram kn Kilo Newton m 3 Metreküp mm Milimetre MPa Megapaskal ºC Santigrat Derece ph Hidrojen İyonu Derişiminin Eksi Logaritmasi S SiO 2, Silisyum Dioksit

31 XXI SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam) Kısıtlamalar Açıklama ASR Alkali-Silis Reaksiyonu ASTM Amerikan Standard for Testing and Materials C 3 A Trikalsiyum Alüminat CH Kalsiyum Hidroksit C-S-H Kalsiyum-Silikat-Hidrat KH Sadece Portland Çimentosu İçeren Harç MK Metakaolin MK1 %5 Metakaolin Katkılı Harç MK2 %10 Metakaolin Katkılı Harç MK3 %15 Metakaolin Katkılı Harç MK4 %20 Metakaolin Katkılı Harç PÇ Portland Çimentosu TS-EN Avrupa Normlarına Uygun Türk Standardı

32

33 1 1. GİRİŞ Puzolanlar, kendi başına bağlayıcılık özelliği çok az olan veya hiç olmayan ancak ince öğütüldüğünde ve rutubetli ortamda kalsiyum hidroksitle kimyasal reaksiyona girdiklerinde bağlayıcılık özelliği kazanan silisli ya da silisli ve alüminli malzemelerdir. Esas oksitleri olan silis ve alümine ilave olarak yapılarında demir oksit, kalsiyum oksit (CaO), alkali ve karbon bulunmaktadır. Bu maddelerin miktarları ise elde edildikleri kaynağa göre değişmektedir (ASTM C 618). Puzolanların yapısında büyük miktarda yer alan silisin ve alüminin yanı sıra, bir miktar da demir oksit, kalsiyum oksit, alkaliler ve karbon bulunabilmektedir (Erdoğan, 2007). Hidratasyon ürünlerinden olan serbest kireci (CH) bağlaması ve ince boşlukları doldurması nedeni ile betonun zararlı ortama karşı dayanıklılığını artırmak için betona üretim aşamasında puzolan malzeme katılır (Mehta and Gjorv, 1982). Puzolanların, betonda portland çimentosu ile beraber kullanılması, su geçirimsizliğinin artması, hidratasyon ısısının düşmesi ile termal çatlakların azalması, alkali-agrega reaksiyonu ile oluşan çatlamalara karşı dayanımın artması, işlenebilirliğin artması, sülfat ve asit ortamlarında durabilitenin artması gibi amaçlara yönelik olarak kullanılmaktadır (Postacıoğlu, 1987). Son yıllarda yüksek mukavemetli ve yüksek performanslı beton ve harçların üretiminde, hafif betonların üretiminde, ferrocement uygulamalarında, cam lifli betonların üretiminde, tamir harçlarında ve su izolasyonu amaçlı sıvalarda kullanılan puzolanik malzemelerden biri de metakaolindir (Zhang and Malhotra, 1995; Sabir et al., 2001; Siddique and Kalus, 2009). Metakaolin, saflaştırılmış kaolin kilinin yaklaşık olarak ºC arasındaki sıcaklıklarda pişirilmesi sonucunda elde edilen beyaz renkli yapay puzolanik bir üründür. Pişirme işlemi sonucunda, metakaolinin bünyesindeki alümin ve silisin kristal yapılarında bozulma olur. Metakaolin, amorf yapılı, yüksek oranda puzolanik özelliğe sahip hale gelir (Sabir et al., 2001; Siddique and Kalus, 2009). Metakaolin yüksek oranda SiO 2 ve Al 2 O 3 içeren bir malzemedir. Metakaolinin yapısında bulunan silis ve alüminin çimentonun hidratasyonu sonucu oluşan Ca(OH) 2 ile reaksiyona girerek yeni kalsiyum silikat hidrat (CSH) yapılar ve alümina içeren fazlar (C 4 AH 13, C 2 ASH 8, C 3 AH 6 ) oluşturur. Oluşan bu ürünler sayesinde üretilen beton veya harcın mekanik özellikleri ve

34 2 dayanıklığında artışlar görülür (Zhang and Malhotra, 1995; Sabir et al., 2001; Siddique and Kalus, 2009; Khatib and Hibbert, 2005). MK beton üretiminde genel olarak çimento yerine ağırlıkça %10 ile 20 arasındaki değerlerde kullanılmaktadır. Beton veya harçta MK kullanımı ile basınç, yarmada çekme ve eğilme dayanımlarının arttığı, büzülmenin azaldığı, donma-çözünmeye direncinin yükseldiği, geçirgenliğin düştüğü, kimyasal etkilere karşı dayanıklılığın arttığı, ASR gelişiminin azaldığı ve daha yoğun bir beton elde edildiği, değişik araştırmacılarca rapor edilmiştir (Zhang and Malhotra, 1995; Sabir et al., 2001; Siddique and Kalus, 2009; Khatib and Wild, 1998; Khatib and Clay, 2004; Kim et al., 2007). Ayrıca, yine bazı araştırmacıların, metakaolinin işlenebilmeyi artırdığını, daha düzgün bir yüzey elde edilmesine olanak sağladığını ve çiçeklenmeyi azalttığını da ifade ettikleri görülmektedir (Siddique and Kalus, 2009; Kim et al., 2007). Çimento yerine %15 e kadar değişen oranlarda metakaolin içeren çimento harç ve hamurlarında, puzolanik reaksiyonun 14 güne kadar hızlı bir şekilde geliştiği, bu sayede dayanımın yükseldiği ve çimento hamurundaki boşluk yapısında iyileşmeler görüldüğü belirtilmektedir. 14 günden sonraki kür sürelerinde ise; puzolanik reaksiyonun artış hızının ciddi bir şekilde azaldığı, dolayısıyla basınç dayanımındaki artışın da yavaşladığı değişik araştırmacılarca ifade edilmiştir (Wild et al., 1996, Khatib and Wild, 1998; Curcio et al., 1998, Wild and Khatib, 1997; Poon et al., 2001; Poon et al., 2006; Cassagnabere et al., 2009). Metakaolinin beton veya harçlarda dayanım ve durabiliteye olumlu katkısında üç mekanizmanın etkili bilinmektedir. Bunlar: çimentonun hidratasyonunu hızlandırması, puzolanik reaksiyon yapması ve filler etkisi ile boşlukları tıkayarak doluluğu artırmasıdır (Sabir et al., 2001; Batis et al., 2004, Khatib and Hibbert, 2005). Bu çalışmanın amacı; değişik oranlarda çimento yerine metakaolin kullanılan harçların mekanik özelliklerine, kür süresi, yüksek sıcaklık ve hızlandırılmış kür işlemlerinin etkilerinin araştırılmasıdır. Ayrıca çimento yerine metakaolin kullanımının harçların ASR, sülfata direncini, su emme ve geçirimliliğini nasıl etkilediği araştırılmıştır.

35 3 Bu tez kapsamında çimento yerine ağırlıkça %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında MK içeren harçlar üretilmiş, üretilen harçlardan hazırlanan 40x40x160mm prizmatik örnekler hazırlanmıştır. Örneklerden bir grup 1, 3, 7, 28, 56, 90, 180 gün standart küre (20 ºC su kürü) tabi tutulmuş ve kür sonunda örneklerin eğilme ve basınç dayanımları saptanmıştır. 2. grup örnekler üzerinde hızlandırılmış kür yöntemleri uygulanmış ve bu uygulama sonunda örneklerin hızlandırılmış eğilme ve basınç dayanımları saptanmıştır. Ayrıca MK içeren harçlarda yüksek sıcaklığın basınç dayanımına etkisi de incelenmiştir. Yine çalışma kapsamında çimento yerine ağırlıkça %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında MK içeren harçların alkali silis reaksiyonu ve sülfata dirençleri de incelenmiştir. Ayrıca çalışmada MK içeren harçlarda su emme ve geçirgenlik deneyleri de yapılmış, MK nın bu özelliklere etkisi incelenmiştir. Elde edilen tüm sonuçlar değerlendirilmiştir.

36 4 2. MİNERAL KATKILAR Elde edildikleri kaynaklara göre mineral katkı maddelerini üç grupta toplayabilmek mümkündür (Erdoğan, 2007). 1. Doğal malzemeler (volkanik küller, traslar, diatomlu topraklar ve taşunu). 2. Beton üretimi ile doğrudan ilgili olmayan bir endüstri kolunda yan ürün olarak elde edilen malzemeler (uçucu küller, silis dumanı ve granüle yüksek fırın cürufu). 3. Isıl işlem uygulanmış olan malzemeler (pişirilmiş kil, pişirilmiş kiltaşı). 2.1 Mineral Katkıların Çimento ve Betonda Kullanılması Betonda katkı maddesi olarak kullanılan mineral malzemelerin mutlaka ince taneli durumunda olmaları gerekmektedir. Uçucu kül ve silis dumanı gibi malzemeler, yan ürün olarak elde edildikleri halleriyle, ince taneli malzemelerdir. Öte yandan, volkanik tüf, granüle yüksek fırın cürufu, pişirilmiş kil gibi bazı malzemelerin beton katkı maddesi olarak kullanılabilmeleri için, öğütülmeleri ve tanelerinin en az portland çimentosu tanelerinin inceliğine getirilmeleri gerekmektedir. İnce taneli mineral katkı maddeleri beton üretiminde kullanılan temel malzemelerin (çimentonun, agreganın ve suyun) yanı sıra ayrı bir malzeme olarak beton karışımına doğrudan dahil edilmekte ve temel malzemelerle beraber karılmaktadırlar. Bunların kullanıldıkları oran, genellikle, beton karışımında yer alan çimento miktarının %10-50 si kadardır. Çoğu zaman, beton karışımında kullanılacak çimento miktarı azaltılmakta ve azaltılan miktar kadar ince taneli katkı maddesi konulmaktadır (Erdoğan, 2007). Portland çimentosunu bağlayıcı olarak tek başına kullanmak, betonun durabilitesini garanti altına almak için yeterli değildir. Bu yüzden, portland çimentosuna mineral katkılar eklenebilir. Bunun sonucunda, belirli bir mekanik performans ve dayanıklılık limitine ulaşmanın yanı sıra değerli hammaddeler ile enerjinin korunmasına da katkıda bulunulmuş olunur. Portland çimentosunu çeşitli mineral katkılar ile karıştırmanın sonucunda hidratasyon ürünü olan Ca(OH) 2 azaltılır ve bu da harç ve betonun agresif çevre koşullarındaki durabilitesini artırır (Vu, 2002).

37 5 Mineral katkıların kompozisyonu ve yapısı, kaynaklarına göre geniş bir değişim göstermektedir. Çimento ve betonda kullanım için, ana bileşikler SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3, toplam kompozisyonun en azından %70 ini oluşturmalıdır. Bu katkıların aktifliği, amorf veya zayıf kristalli hallerdeki oksit ve mineral varlığına bağımlıdır. Genel olarak, puzolanik reaksiyon yavaş ilerler ve dolayısıyla hidratasyon ısısı düşük olur. Portland çimentosunun hidratasyonu süresince oluşan ürünlerden birisi kalsiyum hidroksit Ca(OH) 2 dir. Bunun belirginliği çimentonun mineral kompozisyonu ve kürleme süresine bağlı olarak değişir. Sertleşmiş harç ve betondaki Ca(OH) 2, hamur ve agrega arasındaki geçiş bölgelerinde zayıflık oluşturur. Bu da harç ve betonun mukavemetinde azalma oluşmasına neden olur. Bununla birlikte Ca(OH) 2 varlığı, harç ve betonun deniz suyu veya sülfat çözeltisi gibi agresif çevre koşullarına dayanımını azaltır (Erdoğan, 2007; Neville, 1995). 2.2 Puzolanlar Puzolanlar yalnız başına kullanıldıkları zaman bağlayıcı olmayan fakat kireç veya çimento ile karıştırıldığı zaman su ile yaptığı reaksiyon sonucu bağlayıcı madde özelliği kazanan maddelerdir. Puzolanların içinde fazla miktarda silis ve alümin bulunmaktadır. Bu maddeler kireç ile yapmış olduğu reaksiyon sonunda puzolan bağlayıcılık özelliği kazanmaktadır (Postacıoğlu, 1987). Mineral katkı maddeleri; taze betonun işlenebilme ve su ihtiyacı ile reolojik özelliklerine, terleme, ayrışma, hava sürüklenme, hidratasyon ısısı ve plastik rötre gibi özelliklerine etki ederler (Özturan, 1993). Sertleşmiş betonda da puzolanlar mekanik özelliklere ve durabiliteye oldukça önemli etkiler yapar. Dayanım ve dayanım kazanma hızı ile elastisite modülü, sünme ve rötre mineral katkı kullanımından etkilenirler. Geçirimsizlik, asitlere ve sülfata dayanıklılık, alkali-agrega reaksiyonu, donma çözülme tekrarlarına dayanıklılık, deniz ortamına dayanıklılık ve donatı korozyonu gibi tüm durabilite özellikleri de, bu katkıların kullanımından etkilenmektedir. Mineral katkı maddelerinin durabilite özelliklerine olan etkilerinin yönü ve şiddeti çoğu zaman katkının cinsi, kullanım miktarı, kullanım yöntemi, fiziksel, kimyasal ve puzolanik özellikleri gibi faktörlere bağlı olmaktadır (Özturan, 1993). Puzolanların, betonda portland çimentosu ile beraber kullanılması, su geçirimsizliğinin artması, hidratasyon ısısının düşmesi ile termal çatlakların

38 6 azalması, alkali-agrega reaksiyonu ile oluşan çatlamalara karsı dayanımın artması, işlenebilirliğin artması ve sülfat ve asit ortamlarında durabilitenin artması gibi amaçlara yönelik olarak kullanılmaktadır. Puzolanlar, portland çimentosuna ilave edildiklerinde çimentonun hidratasyon sonucu meydana gelen Ca(OH) 2 ile SiO 2 ve Al 2 O 3 arasındaki reaksiyon sonucunda yine bağlayıcılık özelliğine sahip olurlar. Puzolanlar silisli veya silisli ve daha az miktarda alüminli malzemelerdir. Kendi başlarına bağlayıcı özelikleri yoktur ya da çok azdır; ancak, çok ince taneli olduklarından, söndürülmüş kireçle birlikte su ile birleştirildiklerinde hidrolik bağlayıcı özelliği kazanırlar (Postacıoğlu, 1987). Puzolanlar elde edilişlerine göre doğal ve yapay puzolanlar olmak üzere iki gruba ayrılırlar Doğal puzolanlar Doğal puzolanlar uzun bir süreden beri çimento ve beton içerisinde kullanılmaktadır. Bu malzemeler puzolanik aktiflik göstermelerine karşın, kimyasal ve mineral bileşimleri, oluşum kaynakları ve şartlarına bağlı olarak çeşitlilik göstermektedirler. Bu mineral katkılar baskın olarak silis ve ek olarak da alüminyum ve ferrik oksit bileşenlerinden oluşmaktadırlar (Vu, 2002). Doğal puzolanların büyük bir bölümü volkanik orijinli malzemelerdir. Volkanik püskürme sırasında silisli ve alüminli malzemelerden oluşan eriyik durumdaki magma, yüzeye lav olarak çıkarak çok çabuk soğuma gösterdiği takdirde, camsı (amorf) yapıya sahip olmaktadır. Püskürme esnasında gazların da bulunması, malzemenin gözenekli yapıya ve çok büyük yüzey alanına sahip olmasına neden olmaktadır. Yüzey alanının büyük olması ve düzensiz yerleşim göstermelerinden ötürü, alüminli silisler, sulu ortamda kalsiyum iyonlarıyla kolayca reaksiyona girebilmektedir. Volkanik püskürmenin çok hızlı yer alması, malzemenin daha amorf yapıya ve daha yüksek puzolanik aktiviteye sahip olmasına yol açmaktadır. Volkanik camlar, volkanik tüfler, traslar ve volkanik küller en çok kullanılan volkanik orijinli puzolanlardır (Erdoğan, 2007). Büyük miktarda silis ve alüminden oluşan kil ve şeyl mineralleri kristal yapıya sahiptirler. Doğal yapıları itibariyle puzolanik özellik göstermektedirler. Ancak bir-iki saat kadar ºC civarında sıcaklığa tabi tutulduklarında, bu malzemelerin düzenli kristal yapısı bozulmakta ve yarı amorf veya düzensiz alümino silisli bir yapı elde edilmektedir. Böylece, puzolanik malzeme durumuna gelmektedirler (Erdoğan, 2007).

39 7 Diatomlar, silisli hücrelere sahip olan mikroskobik büyüklükteki tek hücreli su bitkileridir. Diatomlu topraklarda, bu organik kalıntılardan kaynaklanan ve amorf yapıda olan büyük miktarda silis bulunabilmektedir. Bazı diatomlu topraklar öğütülmeden veya öğütüldükten sonra puzolanik katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Ancak, bu tür toprakların ºC sıcaklığa kadar pişirildikten sonra ince taneli duruma getirilmeleri, puzolanik aktivitelerini artırmaktadır (Erdoğan, 2007). Genel olarak doğal puzolanların kullanılma amaçları aşağıdaki şekilde özetlenebilir (Pera, 2001). Bunlar; Çimento ve beton maliyetlerinde belirgin bir düşüş elde etmek, Enerji ve değerli hammadde israfının önüne geçmek, Çevrenin korunmasına destek olmak, Sertleşme esnasında açığa çıkan hidratasyon ısısını azaltmak, Oturma zamanlarını geciktirmek, Kullanılan miktara bağlı olarak çimento harcının ve betonun kıvamını modifiye etmek, Permeabiliteyi azaltmak suretiyle, deniz suyu gibi agresif çevre koşullarına karsı harç ve betonun durabilitesini arttırmak, Alkali-silis reaksiyonlarını azaltmaktır Yapay puzolanlar Çimento ve betona katılan doğal mineral katkıların hızlı tükenmesinden dolayı günümüzde yapay mineral katkılar kullanılmaktadır. Bilim ve teknolojideki ilerlemelerle beraber yüksek puzolanik aktiflik gösteren yapay mineral katkılar geliştirilmiştir (Vu, 2002). Yapay puzolanlar, sanayi üretim atığıdır. Yapılarında doğal puzolanlardaki gibi oksit bileşenler (SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, CaO, MgO) içermelerinden dolayı puzolan

40 8 ve üretimdeki reaksiyonlar sonunda oluştukları için de yapay sıfatı verilerek yapay puzolan denilmiştir. Atıktaki silisin aktifliği, puzolanın aktifliğini belirler. Yapay puzolanlar, yüksek fırın cürufu, uçucu kül, silis dumanı ve pirinç kabuğu külüdür (Okucu, 1998). Birçok farklı ülkede kullanılan yapay mineral katkıların ilkleri yüksek fırın cürufu ve uçucu küldür. Son zamanlarda bunlara ek olarak silis dumanı ve metakaolin gibi etkili mineral katkılar çimento ve beton endüstrisine sunulmuştur. Cüruf ve uçucu kül gibi endüstriyel atıkların çimentoya karıştırılmasındaki başarı, maliyetlerin düşürülmesi ve harç ve betonun davranışındaki bazı iyileştirmelerden kaynaklanmaktadır. Mineral katkıların kimyasal ve mineral bileşimleri, katkıların kaynaklarına ve formasyonları esnasındaki ortam şartlarına bağlı olarak değişmektedir (Özer, 2009). Günümüzde silis dumanı ve metakaolin gibi çok çeşitli yüksek reaktiflikte mineral katkı çimento bazlı kompozit malzemeler içerisinde kullanılmaktadır. Bu mineral katkıların çimento ve beton performansı üzerine etkilerini inceleyen çok sayıda çalışma yapılmıştır ve yapılmaktadır. Bu mineral katkılar normal ve yüksek performanslı betonlar içerisinde yalnız olarak kullanıldıkları gibi, cüruf ve uçucu kül gibi geleneksel mineral katkılar ile birlikte de kullanılmaktadırlar. Geleneksel mineral katkılar çimento ve beton endüstrisinde daha baskın rol oynamaktadırlar. Maksimum karıştırılma yüzdeleri ulusal ve uluslararası standartlarda farklılık göstermektedir. Örneğin bu oran İngiltere de %65, Japonya da %70, Almanya ve Rusya da ise %80 dir (Vu, 2002) Puzolanik reaksiyon İnce öğütülmüş puzolanlar nemin bulunduğu ortamda kalsiyum hidroksitle bir araya getirildiğinde normal sıcaklıklarda bazı kimyasal reaksiyonlar yer almaya başlar. Kireç puzolan reaksiyonunun esas ürünü kalsiyum-silikat- hidrattır. Kireç puzolan reaksiyonunun C-S-H haricinde diğer ürünleri ise kalsiyumalimine-hidrata, olmuş gehlenit, kalsiyum karboalimünat, kalsiyum alimüna monosülfat ve etrenjittir (Erdoğan, 2007). ASTM C 618 portland çimentosu kullanımında doğal puzolanların kullanımı için kimyasal bileşimlerindeki SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 yüzdelerinin toplamı en az %70 (S+F+A=0.70) olması istenmektedir. Portland çimentosunun puzolan ve su ile karışımı sonucu, puzolanda SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 amorf ya da zayıf bir kristal yapıda

41 9 mevcut olduğunda, bu oksitlerin kimyasal olarak normal sıcaklıkta, portland çimentosundaki kalsiyum silikatların hidratasyonu neticesinde oluşan kalsiyum hidroksit ile bağlayıcılık özelliği olan bileşikler oluşturmak için tepkimeye gireceği kabulü yapılır. Puzolanlar genellikle %60 ila %85 arasında SiO 2 içerirler. Bu yüzden ana puzolanik reaksiyon, portland çimentosunun temel kalsiyum silikat reaksiyonuna benzer kalsiyum silikat hidrate oluşumunu kapsar. C 3 S + H C-S-H + CH (Portland çimentosu hidratasyonu) CH + S + H C-S-H (Puzolanik reaksiyon) Puzolanik reaksiyon yavaştır; bunun neticesinde bu reaksiyon ile birlikte dayanım kazanma hızı ve hidratasyon ısısı düşüktür. Öte yandan, portland çimentosundaki C 3 S hidratasyonu hızlıdır. Bu nedenle bu reaksiyon ile birlikte dayanım kazanma hızı ve hidratasyon hızı yüksektir. Aynı zamanda belirtilmelidir ki, puzolanik reaksiyon kireç tüketen, portland çimentosu hidratasyonu ise kireç üreten reaksiyondur. Puzolanik reaksiyon, sıcaklık, alkaliler ve sülfatlar gibi kimyasalların bulunduğu ortamda hız kazanabilir (Mehta, 1989). Puzolan ve portland çimentosu karışımı hidratasyona girince puzolanik reaksiyonun etkisiyle bağlayıcı ham üründeki serbest kireç miktarı giderek azalmaktadır. Belli bir süre sonunda puzolan içeren betonların serbest kireç ve daha çok kalsiyum silikat hidrate elemanları bulunmaktadır. Daha çok bağlayıcı ürün oluşması mukavemet artışına neden olurken, serbest kirecin azalması ve hamur boşluk yapısının iyileştirilmesi de geçirimsizliği ve dolayısıyla zararlı dış etkilere dayanıklılığı artırır. Puzolanik reaksiyonun portland çimentosu hidratasyonundan daha yavaş gelişmesi mukavemet kazanma hızlarını etkiler. İlk yaşlarda mukavemetler daha düşük olur ancak puzolanların aktivitesinin yüksekliğine göre 28, 56 veya 90 gün sonraki mukavemetler referans betonunu yakalamakta veya geçmektedir (Özturan, 1993) Puzolanik aktivite Puzolanik malzemelerin söndürülmüş kireçle ve su ile ne ölçüde reaksiyona girebileceği, ne ölçüde bağlayıcılık sağlayabileceği puzolanik aktivite olarak tanımlanmaktadır (Erdoğan, 2007).

42 10 Puzolanik malzemenin yeterli aktiviteyi gösterebilmesi için, yeterince ince taneli olması, amorf yapıya sahip olması ve yeterli miktarda silis + alümin+ demiroksit içermesi gerekmektedir. Puzolanik aktivite dayanım aktivite indeksi olarak adlandırılan bir değerin hesaplanmasıyla ifade edilmektedir. Bu değer aşağıda yer alan eşitlikteki gibi hesaplanmaktadır (Erdoğan, 2007): Dayanım aktivite indeksi = (A/B) x 100 Burada; A :Puzolanlı harç numunelerin ortalama basınç dayanımı, B :Kontrol harç numunelerinin ortalama basınç dayanımıdır. Puzolanlı harç numuneler ile kontrol harç numunelerini oluşturan malzemelerin miktarları ve deneylerin yapılma şekilleri ASTM C 311 Standard Test Method for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete ve TS EN Uçucu Kül Betonda Kullanım İçin Bölüm 1:Tarifler, Özellikler ve Uygunluk Kriteri standartlarında belirtilmektedir. Dayanım aktivite indeksinin belirli bir değerden daha az olmaması gerekmektedir. ASTM C 618 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan For Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete standardına göre bu değer en az 75 olmalıdır. TS 25 Doğal puzolan (tras)-çimento ve betonda kullanılan tarifler, gerekler ve uygunluk kriterleri (TS 25/T1 olarak tarihinde tadil edilmiştir.) standardında bu değerin en az 70 olması gerektiği belirtilmektedir (Öteyaka vd,, 2009) Puzolanik malzemelerin kullanımı İnce öğütülmüş bir puzolan, bağlayıcılık özelliğinden faydalanmak üzere üç değişik şekilde kullanılır: 1. Direkt olarak kalsiyum hidroksitle karıştırılarak. 2. Katkılı çimentoların üretiminde katkı olarak, üretim sırasında çimento fabrikalarında portland çimentosu klinkeri ile birlikte öğütülerek.

43 11 3. Doğrudan beton karışımına ilave olarak karışım sırasında ya da karışım operasyonundan önce puzolanı karışıma bir bileşen gibi ilave etme yolu ile. Puzolanların kalsiyum hidroksitle direkt olarak karıştırılması yaygın bir uygulama değildir. Ancak çok eski zamanlarda bu yol yaygın olarak kullanılmıştır. Yol alt temeli ya da diğer bazı uygulamalarda kireç puzolan karışımı hala kullanılmaktadır. Diğer taraftan ikinci ve üçüncü şekil yaygın olarak kullanılmaktadır (Onike and Martin, 1986) Puzolan katkıların beton özelliklerine etkileri Puzolanlar beton içinde çimento ağırlığının değişik oranlarında kullanılabilir. Bu oran Prince (1975) tarafından %15 den %40 a kadar önerilmektedir. Kaliteli puzolanlar optimum oranlarda kullanıldıklarında betonda; İşlenebilirliği iyileştirirler. Sülfat etkisine karsı direnci arttırlar. Hidratasyon ısısını düşürürler. Alkali-agrega reaksiyonunun zararlı etkisini azaltırlar. Isıl büzülmeyi azaltırlar. Maliyeti düşürürler. Puzolanlar fazla kullanıldıkları zaman zararlı da olabilirler; Su ihtiyacını arttırırlar. Donma ve çözülmeye karsı direnci düşürürler. Sertleşme ve dayanım kazanma hızını azaltırlar. Kuruma büzülmesini arttırırlar (Prince, 1975).

44 12 3. METAKAOLİN 3.1 Kaolin Metakaolin üretiminde hammadde girişi kaolin kilidir. Kaolin ince, beyaz, geleneksel porselen üretiminde kullanılan kil mineralidir. Kaolin kelimesi çincede beyaz tepe anlamına gelir ve Avrupa ya gönderilen ilk kaolinlerin sağlandığı Kaoling Dağı ndan türetildiği düşünülmektedir. Kaolinit kaolin kiline karşılık gelen mineralojik bir terimdir. Kaolinit mineral, kaolinin en yaygın parçası olarak, alüminyum disilikat hidrat, Al 2 O 3. 2Si 2. 2H 2 O olarak tanımlanır. Kaolinler tüm kil mineralleri gibi phyllosilikatlar (levha yapılı silikatlar) sınıfındadır, yani: bir tabakalı silikat malzemedir (Sun et al., 2005). Kaolin terimi altında çeşitli jenetik modellerle oluşmuş kaolin türleri ve kaolinitik killer yer almaktadır. Oluşum itibariyle, feldspat içeren granitik veya volkanik kayaçların feldspatlarının değişime uğrayarak kaolinit mineraline dönüşmesi sonucu kaolinler oluşmaktadır. Ana kayaç içindeki alkali ve toprak alkali iyonların, çözünür tuzlar şeklinde ortamdan uzaklaşması sonucu Al 2 O 3 içerikli sulu silikatça zenginleşen kayaç kaoliniti oluşturur (Madencilik Özel İhtisas Komisyonu Endüstriyel Alt Maddeler Alt Komisyonu, 1995). K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 +2H 2 O Al 2 O 3.6SiO 2.H 2 O+KOH Al 2 O 3.6SiO 2.H 2 O Al 2 O 3.2SiO 2.H2O+4SiO 2 Al 2 O 3.2SiO 2 H 2 O+H 2 O Al 2 O 3.2SiO 2.2H 2 O Kaolinit Bu oluşum modeline göre değişime uğramış ana kayacın taşınmadan yerinde kalması sonucu kaolinit yatakları oluşur. Ana kayaçların bozunma öncesi taşınıp, taşındıktan sonra depolanması veya bozunma sonucu taşınıp sedimanter yataklarda depolanması sonucu kaolinit bileşimli kil yatakları oluşur. Bu birliktelik literatürde kavram kargaşası yaratmakta olup, bunu verilen sınıflamalarda görmek mümkündür.

45 13 Kaolin granitten yüksek basınçlı su püskürtülmesi sonucunda elde edilir. Daha sonra bu kaolin standart mineral işlem teknikleri kullanılarak yoğunlaştırılır ve saflaştırılır. Elde edilen kaolinin kurutulması neticesinde saflığı yüksek endüstriyel kaolin elde edilir (Madencilik Özel İhtisas Komisyonu Endüstriyel Alt Maddeler Alt Komisyonu, 1995). 3.2 Metakaolin Metakaolin, saflaştırılmış kaolin veya kaolinit killerinin belirli bir sıcaklık aralığında yakılması ve sonrasında yüksek inceliğe sahip olması amacıyla öğütülmesi sonucu elde edilen bir reaktif alümino-silikat puzolanıdır (Vu, 2002). Saflaştırılmış kaolin kilinin kalsine edilmesiyle üretilen metakaolin, beyaz renkli, amorf yapılı bir alümina silikattır ºC civarında kil mineralleri absorbe sularını kaybederler. Kaolin kilinin dehidrolize olarak suyunu kaybettiği sıcaklık ise C aralığındadır. Bu sıcaklıkta kaolin bağlı suyunun %14 ünü kaybeder ve metakaoline dönüşür (Sun et al., 2005, Souza and Molin, 2005). Dönüşüm sonucunda, alumina ve silika tabakaları, kristal yapılarındaki düzeni kaybeder, böylece kaolin, amorf ve kimyasal olarak reaktif bir yapı kazanır. Şekil 3.1 de verilen pişirilmemiş kaolin kili ve metakaolinin XRD (X Ray Difraction) analizlerinde görüleceği üzere metakaolin oldukça amorf bir yapıya sahiptir. Kaolin kili aşırı miktarda sıcaklığa maruz kalırsa (900 ºC üstünde) mullit fazı oluşur ve reaktif özelliğini kaybeder. Başarılı bir ısıl işlem uygulanması halinde yüksek oranda puzolanik özelliğe sahip amorf fazlı metakaolin elde edilir (Sun et al., 2005).

46 14 Şekil 3.1. Kaolin kili ve metakaolinin tipik XRD (X Ray Difraction) analizleri (1:Kaolin, 2:Metakaolin) (Sun et al., 2005) Metakaolin, kalsiyum silikat hidrat oluşturulması amacıyla kalsiyum hidroksit ile birleştirilebilir. Bu da harç ve betonun özelliklerinin iyileşmesine katkıda bulunur. Metakaolinin reaksiyon kapasitesi, temel olarak mineral içeriğine, ham kaolin kaynağına ve üretim şartlarına bağımlıdır (Vu, 2002). Metakaolin kalsiyum hidroksiti çok hızlı bir şekilde tüketir. Bu yüzden 1980 lerde metakaolinin çimento matrislerinde kullanılarak cam elyaf ve lifle takviye edilmiş bileşikler oluşturmasına yönelik birçok araştırma yapılmıştır larda ise metakaolinin betonda kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu esnada yapılan araştırmalar sonucunda betonun birçok özelliğinin iyileştiği gözlemlenmiştir (Pera, 2001). Bunlar; Artırılmış basınç ve eğilme dayanımları, Azaltılmış geçirgenlik ve çiçeklenme, Kimyasal etkilere karşı artan direnç ve alkali-silis reaksiyonun önlenmesi, Azaltılmış büzülme,

47 15 Kalitesi artan bitirme, renk ve görünümdür. Metakaolinin portland çimentosunun bir kısmının yerine kullanılması sonucu elde edilen betonlar ilk olarak 1962 yılında Brezilya daki Jupia Barajı nın inşaatında kullanılmıştır. Bu kullanımdaki amaç betonun durabilitesinin arttırılmasıydı. Bu tarihten sonra metakaolinin çimento ve beton içerisinde kullanımında belirgin bir artış olmuştur. Bugün gelinen noktada ise, metakaolinin portland çimentosu ve normal beton içerisinde kullanımına ek olarak, yüksek performanslı beton ve harç içerisinde de kullanımı mevcuttur. Metakaolin ile ilgili yapılan araştırmaların önemli bir kısmı betonda kullanılması uygun olan optimum metakaolin miktarının belirlenmesine yöneliktir. Metakaolinin portland çimentosu ile yer değiştirilerek kullanılması ve betona değişik oranlarda eklenen metakaolinin beton özelliklerine etkisi günümüzde de araştırılmaya devam etmektedir. Bu çalışmalara ek olarak, metakaolinin C 3 S ile kullanım kombinasyonlarında ki reaktiflik kabiliyeti de deneysel olarak incelenmektedir. Bu ve benzeri çalışmalar harç ve beton içerisinde metakaolinin işlevi hakkındaki genel bilgileri arttırmıştır. Metakaolinin varlığı, taze ve sertleşmiş harç ve beton özelliklerinin çoğunu etkilemektedir (Vu, 2002; Pera, 2001) Metakaolinin kimyasal bileşimi Kimyasal olarak metakaolinin temel bileşenleri SiO 2 ve Al 2 O 3 tür. Bununla birlikte Fe 2 O 3, TiO 2, Na 2 O ve K 2 O da az miktarlarda bulunur. Metakaolinin mineral katkı olarak çimento ve betonda kullanılması sonucu çimento ve betona sağlayacağı faydalar daha çok SiO 2 ve Al 2 O 3 içeriğine bağlıdır ve paralellik gösterir (Vu, 2002). Ticari amaçla kullanılan metakaolin Al 2 O 3.2SiO 2 (metakaolinit) ve amorf veya az kristalli formdaki SiO 2 gibi aktif bileşikler içermektedir. Ancak, kaolin ve kaolinit killerinin suyunu tamamen kaybetmiş halleri tartışma konusu olmuştur. Eskiden, metakaolinin amorf alüminyum oksit ve silis karışımından meydana geldiği düşünülmekteydi. Daha sonralar ise metakaolinin, kaolinitin bazı bünyesel özelliklerini açığa vurduğu kanıtlandı. Bu günlerde ise araştırmacıların çoğunluğu, metakaolinin amorf ve az kristalli formdaki metakaolinitten oluştuğu fikrine katılmaktadır (Vu, 2002).

48 Metakaolinin puzolanik aktivitesi Özer (2009), saflaştırılmamış ham kaolin kilini 450, 500, 600,650, 700, 750 ve 800 C sıcaklıklarda ve 2, 4, 6 saat süreler ile pişirilerek metakaolin haline getirilmiş, pişirilen malzeme yeterli inceliğe ulaşıncaya kadar öğütmüş ve 21 adet farklı metakaolin numunesi elde etmiştir. Üretilen metakaolinin puzolanik özelliğini araştırmak amacıyla, numuneler üzerinde ASTM C 311 Standard Test Method for Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans for Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete standardına göre dayanım aktivite indeksi deneyi yapmış ve çalışma kapsamındaki tüm numunelerin puzolanik özellik gösterdiği sonucuna varmıştır. 7 günlük numunelerin puzolanik aktivite indekslerini 0.76 ile 1.02 arasında, 28 günlük numunelerin puzolanik aktivite indekslerini ise 0.79 ile 1.06 arasında bulmuştur. Çalışma kapsamında üretilen metakaolinler arasında aktivitesi en yüksek olan numunenin dayanım aktivite indeksini diğer mineral katkılarla kıyaslamış, silis dumanından düşük ama yakın, fakat doğal puzolanlar, uçucu küller ve yüksek fırın cürufundan oldukça yüksek olduğu sonucuna ulaşmıştır Metakaolin kullanımının taze beton ve harç özelliklerine etkisi Metakaolin çimento hamurunun normal kıvamını yükseltir. Bu etkisi metakaolinin kökeni ve inceliğine bağlıdır. Metakaolin çeşitlerindeki kalsinasyon sıcaklık ve sürelerindeki farklılık, metakaolin karıştırılmış çimento harçlarındaki akma özelliğinin farklılaşmasına yol açmaktadır. Sonuç olarak, beton içerisindeki metakaolinin varlığı su ihtiyacın artırır, ancak harç ve betonda oluşabilecek agrega segregasyon riskini artırmaz. Bununla birlikte betona çimento yerine bir miktar metakaolin eklenmesi sonucunda betonun yayılımında gözlenen azalma aynı miktar silis dumanının çimentoyla yer değiştirilmesi sonucu gözlemlenen azalmadan daha azdır. Metakaolinin harç ve betondaki su ihtiyacına olan etkisi, aynı miktar metakaolin içeren portland çimento hamurundaki su ihtiyacına etkisinden daha azdır (Vu, 2002).

49 17 Metakolin katkısı çimento hamurlarının priz sürelerini de etkilemektedir. %10 üzerindeki oranlarda metakaolin kullanımı çimento hamurunun priz süresini uzatmaktadır (Brooks and Johari, 2001; Batis et al., 2005). Metakaolin katkısı çimentonun hidratasyon sıcaklığını önemli bir şekilde etkilemektedir. Beton ve harç karışımları üzerinde son yıllarda yapılan çalışmalar, MK-PÇ karışımlarının, PÇ karışımlarına göre daha yüksek hidratasyon ısısı ve sıcaklık artışı gösterdiğini işaret etmektedirler (Ambroise et al., 1994; Zhang and Malhotra, 1995). Zhang ve Malhotra (1995), çimento ile %10 MK yer değişiminin sıcaklık artışında 7 C etkisi olurken, %10 silis dumanı yer değişiminin etkisinin 0.5 C olduğunu belirtmişlerdir Metakaolin kullanımının sertleşmiş beton ve harç özelliklerine etkisi Metakaolin eklenmesinin ileri yaştaki harç ve betonun, dayanım ve durabilite gibi ana özellikleri üzerinde etkileri vardır (Vu, 2002). Literatürde yapılmış olan çalışmaların sonucunda çimento ve betona metakaolin eklenmesinin aşağıdaki değerleri yükselttiği söylenebilir; Eğilme ve basınç mukavemeti Yoğunluk Kimyasallara karşı direnç Alkali-silis reaksiyonuna direnç Bu olayların temelini oluşturan mekanizmalar ise şunlardır; Puzolanik reaksiyonlara bağlı olan kimyasal direnç, Partikül doldurma özelliğine bağlı fiziksel iyileşme. Metakaolin üretimi sırasında uygulanan sıcaklığın derecesi ve süresi metakaolin katkılı çimento harçlarının akma özelliğini azaltmaktadır. Bunun sonucu olarak metakaolin katkılı betonların su ihtiyacı yükselmektedir (Li and Ding, 2003).

50 18 Metakaolin eklenmesi; portland çimentosunun hidratasyon işlemine tesir eden yeni bağlayıcı bileşiklerin oluşumuna yol açar. Buna ek olarak metakaolin, sahip olduğu tane boyut dağılımıyla portland çimentosundan ayrılır. İkinci etkinin belirginliği, her iki malzemenin sahip olduğu tane boyut dağılım fonksiyonları arasındaki aralığa bağlıdır. Bundan dolayı, mineral katkının inceliği portland çimentosunun inceliğinden ne kadar fazlaysa malzemeye daha yüksek yoğunluk ve mukavemet kapasitesi vermekte, boşluk doldurucu özellik o kadar göze çarpmaktadır (Vu, 2002) Metakaolin içeren beton ve harçların yapıları Metakaolinin harç ve betonun yapısı üzerine etkisini inceleyen bazı yayınlar yapılmıştır (Vu, 2002; Ambroise et al., 1994). Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre, ileri yaştaki yapıyı etkileyen ana faktörler şunlardır: Kalsiyum hidroksit içeriğinin azalması, Puzolanik reaksiyon ürünlerinin varlığı, Porozite ve boşluk boyutunu dağılımı Metakaolin içeren beton ve harçların Ca(OH) 2 içeriği Portland çimentosunun hidratasyonu esnasında, portland çimentosunun mineral kompozisyonuna bağlı olarak, ağırlıkça %16-28 civarlarında Ca(OH) 2 oluşur. Portland çimentosunun kısmi olarak metakaolin ile yer değiştirilmesi, doğru orantılı olarak kireç oluşumunu azaltır. Ayrıca metakaolin, puzolanik reaksiyonlara bağlı olarak, hamur ve betondaki Ca(OH) 2 içeriğini azaltabilir. Bu Ca(OH) 2 deki bu azalma, metakaolinin karakteristiği ve içeriğine bağlı olduğu kadar kür süresine de bağlıdır. Metakaolin eklenmiş hamur ve harçlardaki Ca(OH) 2 miktarının değişimi ile kür süresi arasındaki ilişki oldukça karmaşıktır. %15 e kadar metakaolin içeren hamur ve harçların, kontrol karışımına kıyasla, erken yaşlarda belirgin mertebede daha az Ca(OH) 2 içerdiği bildirilmiştir. Bununla birlikte daha ileri yaşlarda, metakaolin içeren ve içermeyen

51 19 hamur ve harçlarda bu fark daha belirgindir. Metakaolin karıştırılmış hamur ve harçlardaki minimum Ca(OH) 2 içeriği kürün 14. günü civarında bulunmuştur. %15 metakaolin içeren portland çimentosu hamurunun bir yıllık kür süresinin ardından incelenmesi sonucunda, kontrol hamurunun sadece %50 si kadar Ca(OH) 2 içerdiği bulunmuştur (Wild and Khatib, 1997). %15 metakaolin içeren çimento hamurlarının mikrodalga ile kürlenmesi sonucunda kireçten hiç bir eser kalmadığı kızılötesi spektroskopi yardımıyla kanıtlamıştır. Su/bağlayıcı oranı 0.5 olan 28 günlük hamurdaki benzer etkilerin farkına varabilmek için metakaolinin yer değiştirilme oranı, %40 a çıkarılmıştır. Bu pastalar oda sıcaklığında kirece doygun koşullarda kürlenmiştir. Ca(OH) 2 nin tamamen tüketilmesi için gerekli olan yer değiştirme oranı elbette metakaolinin saflığı ve portland çimentosu tarafından üretilen Ca(OH) 2 nin miktarına da bağlıdır. Bu son özellik, hem portland çimentosunun bileşimi hem de su / bağlayıcı oranı ile yönetilmektedir (Oriol and Pera, 1995) Metakaolinin puzolanik reaksiyon ürünleri Metakaolin beton karışımına eklendiği zaman, hidratasyon sonunda meydana gelen ana kimyasal reaksiyonlar metakaolin ile Ca(OH) 2 nin arasında gerçekleşir. Bu olay su varlığındaki çimento hidratasyonu sırasında gelişir. Kalsiyum silika hidrat, kristalli kalsiyum alüminat hidratları ve alümino silikat hidratları (C 2 ASH 8, C 4 AH 13, C 3 AH 6 ) formundaki ürünler oluşur. Son bileşim, metakaolin/kalsiyum hidroksit oranı ve reaksiyon sıcaklığına bağlıdır. Böyle yeni kristal ürünlerin puzolanik reaksiyonlar sonucunda oluşumu Ca(OH) 2 içeriğini azaltır ve hamur ile betonun yapısını, özellikle agrega ile matris arasındaki geçiş ara yüzünü geliştirir (Vu, 2002) Metakaolin içeren harç ve betondaki porozite ve boşluk boyutu dağılımı Portland çimentosunun metakaolin ile yer değiştirilmesi, harç ve betondaki hem toplam poroziteyi hem de boşluk boyut dağılımını etkiler. Bu, metakaolinin puzolanik aktifliği ile metakaolin partiküllerinin harç ve beton içerisindeki dağılması (çok ince katı yapıdaki tanelerinin bir sıvı madde içinde homojen şekilde dağılması işlemi) karakterlerinin sonucudur. Metakaolin katkısı, betonun boşluk oranını da düşürmektedir. Metakaolin içeriği %20 nin altında olduğunda karışımın toplam porozitesi düşmektedir (Bredy et al., 1989). Metakaolin katkısı

52 20 %30 un üzerine çıktığında porozitenin arttığı gözlemlenmiştir. Porozitenin artması su /bağlayıcı oranının artmasına dayandırılmıştır (Larbi and Bijen, 1992). Ambroise vd., (1994), metakaolinin kısmi yer değiştirme oranını ağırlıkça %50 ye yükselterek, toplam porozitede önemli artış bulmuşlardır. Ağırlıkça %30 ve %50 metakaolin içeren hamurların porozitesi 28 günde sırasıyla %16.6 ve %104.8 artmıştır. Bu olayın ana sebebi metakaolin karıştırılmış çimentoların normal kıvamındaki hızlı yükselmedir. Bununla birlikte, hamurların aynı su/bağlayıcı oranına sahip olduğu durumlarda daha yüksek toplam porozite bulunmuştur. Porozite zamanla azalmaktadır. Toplam porozitedeki azalmanın sadece portland çimentosu içeren karışımlarda en yüksek derecede olduğu bulunmuştur. Metakaolin eklenmiş karışımlarda ise, %40 metakaolin içeren karışım hariç, bir yıllık sürenin sonunda elde edilen azalma miktarı %10 un altında bulunmuştur. Metakaolinin eklenmesinin porozite üzerine ters etkilerini bildiren çalışmalar da literatürde bulunmaktadır (Vu, 2002). Hamur içerisindeki metakaolin varlığı sadece toplam poroziteyi değil, aynı zamanda boşluk boyutu dağılımını da etkiler. Hamur içerisinde bulunan metakaolin miktarındaki artış daha küçük boşluklara yol açmaktadır. Dolayısıyla, metakaolin miktarındaki artış ile mikro-boşlukların ( µm) miktarı artar ve daha büyük boşlukların (yarıçap>0.02 µm) oranı azalır. Boşluk doldurucu etki ileri yaşlarda da meydana gelir. Bu boşluk doldurucu etki derecesi metakaolin oranına bağlı olarak değişir (Frias and Cabrera, 2000). Sonuç olarak, hamur ve beton içerisinde metakaolin varlığı Ca(OH) 2 içeriğini düşürür. Metakaolin eklenmesi sonucunda toplam porozite biraz artmakla beraber boşluk yapısında iyileşmeler meydana gelir. Bunun sonucunda malzeme agresif çevreye daha dirençli hale gelir (Vu, 2002) Metakaolin kullanımının sertleşmiş beton ve harçların mekanik özelliklerine etkisi Çimentonun bir kısmının metakaolin ile yer değiştirilmesi beton basınç dayanımını arttırmaktadır. Fakat optimum yer değiştirme miktarı %20 civarındadır (Wild et al., 1996). Brooks ve Johari, (2001), metakaolin içeriğinin artmasının beton basınç dayanımını arttırdığını rapor etmişlerdir. Benzer sonuçlar Li ve Ding (2003) tarafından yapılan çalışmalarda da belirtilmiştir. Ancak Li ve Ding, (2003), en iyi basınç dayanımını %10 metakaolin içeriğinin sağladığını belirtmiştir.

53 21 Poon vd., (2001), MK içeren yüksek performanslı betonların basınç dayanımını belirlemek için 70.7 mm boyutlarında küp numuneler kullanarak su/bağlayıcı oranı 0.3 olan %5, %10, %20 oranlarında MK içeren ayrıca MK ile karşılaştırmak için %5, %10 silis dumanı, %20 uçucu kül ve sadece portland çimentosu içeren kontrol numuneleri hazırlamış, numuneleri 1 gün sonra kalıptan çıkarıp 27 ºC lik suya koymuş, 3, 7, 28 ve 90 günlerdeki basınç dayanımlarını belirlemiştir. Tüm yaşlarda en yüksek dayanım %10 MK içeren betonlarda elde edilmiştir. 7, 28, 90 gün sonunda en yüksek dayanıma sahip %10 MK içeren betonları sırasıyla %20 MK, %5MK içeren betonlar takip etmiştir. 3 gün sonunda ise en yüksek dayanıma sahip %10 MK içeren betonları sırasıyla %5 MK, %20 MK içeren betonlar takip etmiştir. Roy vd., (2001), çimento yerine %0-30 oranlarında MK, silis dumanı, uçucu kül kullanarak, ASTM C 349 Standard Test Method for Compressive Strength of Hydraulic-Cement Mortars standardına göre toplam bağlayıcı miktarı 100 g, su/bağlayıcı oranı 0.36 ve 0.40 olan harç numuneleri hazırlamış 28 gün boyunca 38ºC de kürden sonra tek eksenli basınç deneyine tabi tutmuştur. 28 gün sonunda su/bağlayıcı oranı 0.36 olan harçlar arasında, sadece çimento içeren kontrol numunesi 91 MPa basınç dayanımı gösterirken, %7.5, %15 ve %22.5 MK içeren harçlar sırasıyla 94 MPa, 87 MPa ve 90 MPa basınç dayanımı ile en yüksek basınç dayanımını göstermiştir. %7.5, %15, %22.5 silis dumanı içeren harçların basınç dayanımı 75 MPa dır. %7.5 uçucu kül içeren numuneler 86 MPa, %15, %20 ve %22.5 uçucu kül içeren numuneler ise 70 MPa altında basınç dayanımı göstermiştir. 28 gün sonunda su/ bağlayıcı oranı 0.40 olan harçlar arasında, %15 ve %22.5 MK içeren harçlar sırasıyla 83 MPa ve 97 MPa basınç dayanımı ile en yüksek basınç dayanımını göstermiştir. %15, %22.5 silis dumanı içeren harçların basınç dayanımı sırasıyla 64 MPa ve 71 MPa bulunmuştur. Khatib (2008), düşük su/ bağlayıcı oranına (0.3) sahip metakaolin içeren betonun performansını incelemiştir. Portland çimentosunun %0-20 arasında değişen oranlarda metakaolin ile yer değiştirmiştir. Betonların üzerinde basınç dayanımı, ultrasonik ses iletimi, dinamik elastisite modülü ve rötre deneyleri gerçekleştirilmiştir. Numuneler hem suda, hem de 20 C havada kür edilmişlerdir. Sonuçlar, düşük su/bağlayıcı oranındaki metakaolin katkılı betonların, yüksek su/bağlayıcı oranında hazırlanan metakaolin katkılı betonlardan farklı özelliklere sahip olmadığını göstermiştir. Optimum yer değiştirme miktarının %15 olduğu görülmüştür. Hava ve su kürü yapılmış betonlarda ultrasonik ses iletimi ile eleastisite modülü arasında lineer bir ilişki olduğu ortaya çıkmıştır.

54 22 Qian ve Li, (2001), çimento ile yer değiştirme miktarı ağırlıkça %0, %5, %10, %15 olan metakaolin katkılı betonların çekme ve eğilme dayanımını incelemiştir. Çekme dayanımının metakaolinin yer değişimi miktarının artmasıyla lineer bir şekilde artığını rapor etmişlerdir. Yapılan çalışma sonucunda, metakaolin yer değişimi %5 olduğunda betonun eğilme dayanımı çok az miktarda artmış ve yer değişimi miktarının %10 ve %15 olduğu durumda ise eğilme dayanımı %32 ve %38 oranında artmıştır. Courard vd., (2003), harçlarda metakaolin katkısının eğilme dayanımına etkisini incelemiştir. Çimento kütlece %5-20 aralığında metakaolin ile yer değiştirilmiştir. Metakaolin katkılı harçların 3 günlük eğilme dayanımları kontrol harcından daha düşük çıkmıştır. Ancak 7 günde kontrol harcının eğilme dayanımlarına eşit olmuş 14 ve 28 günde ise daha yüksek dayanımlara ulaşmıştır. Kim vd., (2007), ağırlıkça %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında ayrı ayrı MK ve silis dumanı içeren, basınç dayanımı 60 MPa olarak tasarlanan, su/bağlayıcı oranı 0.25 olan yüksek mukavemetli betonların 1, 3, 7, 28, 56 ve 91 günlerdeki basınç, çekme, eğilme mukavemetlerin incelemiştir. 1 gün sonunda %20 MK içeren numuneler en düşük basınç dayanımını, 3 gün sonunda %15 MK içeren numuneler en yüksek basınç dayanımını, 7,28, 56 gün sonunda %5 MK içeren numuneler en yüksek basınç dayanımını, 91 gün sonunda ise %15 MK içeren numuneler yaklaşık 75MPa ile en yüksek basınç dayanımını göstermiştir. Çekme dayanımında da %10, %15 MK içeriği, değerleri artırmış %20 MK içeriğinin ise azalttığı görülmüştür. Eğilme dayanımında da %10 ve %15 MK içeriği değerleri arttırmış %20 MK içeriğinin ise azalttığı görülmüştür. Sonuç olarak %15 e kadar MK ve silis dumanı kullanımı mekanik özellikleri arttırdığı %20 kullanımının ise azalttığı görülmüştür. Hamalı (2007), çimento yerine ağırlıkça %8 ve %16 oranlarında MK kullanarak 0.35 ve 0.45 su/bağlayıcı oranlarına sahip iki farklı seriden beton ve harç numuneler üretmiştir. 40x40x150 mm boyutlarındaki numuneler üzerinde yapılan eğilme dayanımı sonuçlarına göre s/b oranı 0.35 olan karışımlardan, kontrol harcı, %8 MK içeren harç ve %16 MK içeren harçların 7 günlük eğilme dayanımları sırasıyla 5.75 MPa, 5.95 MPa, 5.78 MPa, 28 günlük eğime dayanımları ise sırasıyla 5.87 MPa, 6.59 MPa ve 6.24 MPa bulunmuştur. Su/bağlayıcı oranı 0.45 olan karışımlardan, kontrol harcı, %8 MK içeren harç ve %16 MK içeren harçların 7 günlük eğilme dayanımları sırasıyla 4.48 MPa, 4.56 MPa, 5.04 MPa, 28 günlük eğime dayanımları ise sırasıyla 5.95 MPa, 5.29 MPa

55 23 ve 5.95 MPa bulunmuştur. Yapılan basınç deneyi sonuçları ise, su/bağlayıcı oranı 0.35 olan karışımlardan kontrol harcı, %8 MK içeren harç ve %16 MK içeren harçların 7 günlük basınç dayanımları sırasıyla 67.3 MPa, 73.3 MPa ve 73.2 MPa, 28 günlük basınç dayanımları 78.4 MPa, 85.9 MPa ve 83.1 MPa olarak bulunmuştur. Su/bağlayıcı oranı 0.45 olan karışımlarda kontrol harcı, %8 MK içeren harç ve %16 MK içeren harçların 7 günlük basınç dayanımları sırasıyla 57.8 MPa, 56.6 MPa ve 62.8 MPa, 28 günlük dayanımları ise 58.9 MPa, 67.8 MPa, 66.0 MPa olarak bulunmuştur. %8 MK içeren harçların %16 MK içeren harçlardan daha yüksek dayanım gösterdiği ve MK içeren harçların kontrol harcından yaklaşık %10-20 daha fazla dayanıma sahip olduğu görülmüştür. Tosun vd., (2007), çimento yerine %5, %10, %15 ve %20 oranlarında MK kullanarak ve MK ile kıyaslamak için aynı karışım oranlarında silis dumanı içeren karışımlarla 40x40x160 mm boyutlarında harç örnekler hazırlamıştır. 2, 7 ve 28 günlük basınç ve eğilme dayanımlarını belirlemiştir. Deney sonuçlarına göre MK miktarı artıkça 2 günlük dayanımda düşme, 7 günlük dayanımda MK içermeyen kontrol serisine yakın değerler, 28 günde dayanımda artış olmuştur. %20 MK içeren harç serisi 28 günde 65 MPa ile en yüksek dayanımı vermiştir. Eğilme dayanımları da basınç dayanımında görülen davranışa paralel sonuçlar göstermiştir. Çalışmada kullanılan kaba silis dumanı nedeniyle karışımlarda silis dumanı miktarı artıkça tüm yaşlarda kontrol harcına ve MK katkılı harç serilerine göre düşüş olmuştur. 28 günde MK kullanım oranı artıkça MK nın mekanik özellikleri olumlu etkilediği gözlenmiştir Metakaolinin kullanımının beton ve harç durabilitesine etkisi Harç ve beton içerisinde gerçekleşen fiziksel ve kimyasal süreçler sonucunda harç ve betonların bazı özelliklerinde bozulmalar görülür. Harç ve betondaki bozulmanın fiziksel sebepleri, yüzeysel aşınma ve çatlak oluşumudur. Kimyasal nedenlerle oluşan bozulma aşağıdaki sebeplerden dolayı oluşabilir: Agresif akışkanlar ve sertleşmiş çimento hamuru bileşenleri arasında gerçeklesen reaksiyonlar. Sertleşmiş hamur bileşenlerinin çözünmesi. Genişleyen ürünlerin oluşması (Vu, 2002).

56 24 Bağlayıcı maddenin betonun durabilitesine etkisi büyüktür, çünkü betondaki bozulmaya yol açan faktörler genelde bağlayıcı etkilemektedir. Literatürde yapılan çalışmalardan metakaolinin portland çimentosu ve beton durabilitesine etkilerinin kompozisyon, puzolanik aktiflik ve eklenme oranı gibi faktörlere dayandığı sonucu çıkarılabilir. Bunlardan sonuncuya gelince, elde edilen sonuçlar çimentonun belli oranlarda metakaolin ile yer değiştirilmesinin harç ve beton durabilitesini arttırabileceği ispat etmektedir. Bu özellik temelde Ca(OH) 2 azalması ve harç ile betondaki hamurun mikro-yapısının geliştirilmesine bağlıdır. Ca(OH) 2, agresif çözeltilerdeki hamur ve betonların durabilitesini etkileyen önemli bileşiklerdendir (Vu, 2002). Metakaolin, harç ve betonun boşluk yapısını kuvvetli bir şekilde etkileyerek zararlı maddelerin nakil ve difüzyon hızlarında belirgin bir düşüş meydana gelmesini sağlar. Betonda, agrega ile matris arasındaki ara yüzü, nakil özellikleri ile betonun durabilitesinin belirlenmesinde önemli rol oynar. Buna göre, hidratasyon ürünlerinin (C-S-H, CH) ince bir tabakası, agrega tanelerinin üzerine çökelir. Agrega yüzlerinin yakın çevresindeki ara fazın mikro yapısının belirlenmesinde, çimento taneciklerinin agrega duvarını sarması olayı daha etkindir. Böylece, boyut segregasyonu, ince metakaolin tanelerinin konsantrasyonunun agrega parçalarının yüzeyine yakın olmasına neden olur. Harç ve betona puzolanik katkıların eklenmesi (CaOH) 2 içeriğini düşürür. Bu da istemeyen maddelerin harcın yapısından uzaklaştırılmasında daha etkili olmasını ve ara yüzündeki sarma yoğunluğunu arttırır. Bu, çimento hamuru ve agrega arasındaki bağın gücünü arttırmak suretiyle mikroçatlak oluşumuna karşı direnci yükseltir. Portland çimentosuna metakaolin eklenmesiyle, harç ve betonun dayanıklılığı artar (Vu, 2002). Portland çimentosu C 3 A içeriğinin, harç ve betonun kimyasal genleşmesi üzerinde belirgin etkileri olduğu çok önceden kanıtlanmıştır. Çimento yerine ağırlıkça %0 ile %10 arasındaki oranlarda metakaolin kullanılması durumunda, harçlardaki genleşme portland çimentosu içerisindeki C 3 A içeriği tarafından kontrol edilmektedir. Bu etki, daha yüksek yer değiştirme oranlarında (ağırlıkça %15-25) düşmektedir. Bundan dolayı, genleşme riski metakaolin oranına bağlı olarak azalmakta, bunun sonucunda da harç ve betonların dayanıklılığı artmaktadır (Vu, 2002).

57 Metakaolin kullanımının alkali-silis reaksiyonundaki etkisi Alkali-silis reaksiyonu (ASR), genellikle çimentodaki alkali oksitlerle (Na 2 O, K 2 O) reaktif silis formları içeren agregalar arasında oluşan ve betonda genleşme etkisi yaratan kimyasal bir reaksiyondur. Genleşmeye neden olan ASR nin oluşabilmesi için agregada reaktif silika formları, betonda yeterli miktarda alkali (sodyum ve potasyum) ve ortamda nem bulunmalıdır. Bu koşullardan herhangi biri olmazsa ASR nedeniyle bir genleşmede oluşmaz. ASR basitçe iki aşamada gösterilebilir: 1. Alkali + Reaktif silis Alkali-silis jel ürünleri 2. Alkali-silis jeli + nem Genleşme ASR den etkilenmiş yapılarda genellikle şu belirtiler görülmektedir; çatlaklar, genleşme, yapısal elemanlarda deformasyonlar, çatlaklardan jel sızması ve kapak atmalar. ASR ile ilgili en yaygın belirti beton yüzeyindeki haritamsı çatlakların gelişimidir. Çatlakların nedeni reaksiyon sonucu genleşen alkalisilikat-hidrate jelinin oluşumudur. Bu jel, çimento hamurundan su emerek şişer ve mikro çatlaklara yayılır. Buralarda su emerek büyüyen jel oluşumları çatlakları büyütüp, özellikle agrega çimento ara yüzey bağını zedeleyerek betonun parçalanmasına yol açar (Baradan vd., 2002). ASR nin oluşumunu önlemede en etkili yöntemlerden birisi beton bileşenlerine ilave olarak puzolanik malzeme (silis dumanı, uçucu kül, metakaolin vb.) kullanmaktır. Puzolanik malzemeler yüksek oranda aktif silis içermektedir. Aktif silis, harç içerisinde serbest kireçle reaksiyona girmekte ve yeni tobermorit jellerinin oluşmasını sağlamaktadır (Maas et al., 2007). Yeni oluşan tobermorit jelleri sayesinde beton eleman daha yoğun bir yapıya sahip olmakta ve böylece nem girişinin yapı elemanına girişi zorlaşmaktadır. ASR oluşumu böylece önlenebilmektedir (Topçu, 2001). Alkali-silis reaksiyonları için gerekli bileşikler Ca(OH) 2, aktif silis ve sudur. Bu olayda aktif silis agregadan sağlanmaktadır. Metakaolinin varlığı, harç ve beton içerisindeki kalsiyum hidroksit oranını düşürerek, alkali silis reaksiyonlarını azaltmaktadır. Ağırlıkça %10-15 metakaolin eklemesi sonucunda, betonda ASR genleşmesini %0.01 in altına indirilmiştir (Vu, 2002).

58 26 Ramlochan vd., (2000), yüksek aktiviteli metakaolinin, alkali-silis reaksiyonu sonucu betonda oluşan zararlı genleşmeleri kontrol altına almaktaki etkisini araştırmak amacıyla, çimento yerine %0,%5, %10, %15, %20 oranlarında kullanarak, CAN / CSA A A (ASTM C 1293 benzer) ve CAN/CSA A A standardı (ASTM C 1260 benzer) ile incelemiştir. Toplam bağlayıcı madde (çimento+mk) miktarı 420 kg/m³ olan, su/bağlayıcı oranları ise arasında olan 75x75x300 mm beton prizmalar dökümden 24 saat sonra kalıpları alınıp %100 bağıl nemi sağlamak için üzeri emici kağıt ile örtülü plastik kovalarda 38 ºC suda depolanıp 2 sene içinde periyodik ölçümler yapılmıştır. %15 ve %20 MK içeren harç çubuklarının genleşme oranlarını 2 sene sonunda %0.04 seviyesinde tespit etmiştir. Sonuçta çimento yerine %10-15 MK kullanımının ASR genleşmesinin kontrolü için yeterli olduğu ve MK oranı arttıkça genleşme miktarlarının azaldığı sonucuna varılmıştır. Ramlochan vd., (2000), aynı çalışmada CAN/CSA A A standardına (ASTM C 1260 a benzer) göre yaptığı deneylerde çimento yerine %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında MK kullanarak 25x25x285 mm boyutlarında harç numuneleri hazırlayarak 14 gün boyunca 1 M NaOH çözeltisinde bekletip ölçümler yapmıştır. Deneylerde reaktif agrega olarak silisli dolomitik kireçtaşı (Spratt agregası) ve Sudbury agregası kullanmıştır. 14 gün sonunda genleşme oranları kontrol harcında %0.32 seviyesinde, % 15 MK içeren harçlarda ise 0.05 seviyesinde tespit etmiştir. Deney sonuçlarına göre çimento yerine %15 oranlarında MK kullanımının 14 günlük genleşmeleri sınır değer olan %0.10 un altında tutmak için yeterli olduğunu rapor etmiştir Metakaolin katkılı harç ve betonların sülfat dayanıklılığı Sülfat çimentonun bazı bileşenleri ile reaksiyona girerek betonun zamanla bozulmasına neden olur. Bu saldırı sülfat iyonlarının, sertleşmiş betondaki alüminli ve kalsiyumlu bileşenlerle kimyasal reaksiyona girmesi, etrenjit ve alçı oluşturması ile gerçekleşir. Reaksiyon ürünleri betonda genleşme yaratarak çatlaklara ve dağılmaya yol açar, agrega-çimento aderansının etkilenmesiyle betonun mukavemeti düşer. Sülfat saldırısına uğramış betonun karakteristik görünümü, özellikle köşe ve kenarlardan başlayarak tüm kütleye yayılan beyaz lekeler, çatlaklar ve dökülmelerdir. Sülfatların hidrate çimento bileşenleriyle, özellikle CH ve C 3 A ile yaptığı reaksiyonlar sonucu oluşan ürünler alçıtaşı ve kalsiyum sülfoalüminattır. Bu tuzlar yerlerini aldıkları bileşenlerden çok daha fazla hacim işgal ederler ve büyük genleşmeler oluşturup betonda hasara yol

59 27-2 açarlar. Reaksiyonun gelişimini, ortam koşulları, SO 4 içeriği, betonun geçirimliliği, çimentonun kimyasal yapısı ve suyun varlığı doğrudan etkiler. Betonun sülfata dayanıklılığını sağlamak için betonun geçirimsizliğinin artırılması, C 3 A ve CH içeriğinin sınırlandırılması ve puzolanik katkı maddeleri kullanılması gerekir. Bu önlemlerin hangilerinin ne zaman uygulanacağının kararı çevresel etkinin şiddetine göre verilir. Puzolanlar CH ı bağlayarak sülfatlarla reaksiyonunu önlerler. Sadece portland çimentosu kullanımı ile kıyaslandığında bağlayıcı içindeki C 3 A ve CH oranının düşürülmesini sağlarlar. Puzolan olarak kullanılan maddenin düşük CaO içerikli olması gereklidir (Baradan vd., 2002). Silis dumanı, uçucu kül, cüruf gibi mineral katkı maddeleri kullanılarak betonun sülfat direncinin arttırılması yönündeki çalışmalar yaygındır lı yılların ortalarından bu yana beton teknolojisinde kullanılmaya başlanan metakaolinin betonun mekanik özellikleri ve dayanıklılığı üzerindeki etkileri yoğun bir biçimde araştırılmaktadır. Sülfat etkisi betonarme yapıların uzun süreli dayanıklılığını kötüleştiren en önemli çevresel etkilerden biridir. Sülfat etkisi betonda genleşmeye, dayanımın zaman içinde giderek düşmesine ve kütle kaybına neden olmaktadır. Bu da temel, köprü ayağı, beton borular gibi inşaat mühendisliği yapılarına zarar vermektedir (Al-Akhras, 2006). Al-Akhras (2006), çimento yerine %5,%10 ve %15 oranlarında MK kullanımının sülfat direncine etkisi araştırmak için iki farklı su/ bağlayıcı oranı (0.5ve 0.6) kullanarak 75x75x300 mm boyutlu beton prizmalar hazırlamış, numuneleri döküldükten 24 saat sonra kalıptan alıp 3, 7 ve 28 günlük standart su kürüne tabi tutmuş, bu başlangıç küründen sonra beton numuneleri %5 sodyum sülfat çözeltisinde 18 ay boyunca bekletmiş ve periyodik ölçümler yapmıştır. Deney sonuçlarına göre 18 ay sonunda, su/bağlayıcı oranı 0.5 olan; %10 MK içeren betonlarda %0.10, %15 MK içeren betonlarda %0.07, su/bağlayıcı oranı 0.6 olan; %10 MK içeren betonlarda %0.13, %15MK içeren betonlarda %0.10 genleşme ölçülmüştür ve çok iyi derecede sülfat direnci göstermişler, %5 MK içeren betonlarda 18 ay sonunda genleşmeler % civarında ölçülmüş orta derecede sülfat direnci göstermişlerdir. MK miktarının genişlemeyi önemli ölçüde düşürdüğünü tespit etmiştir. Güneyisi vd., (2007), çimento yerine %10 ve %20 oranında MK kullanarak, su/bağlayıcı oranı 0.35 ve 0.55 olan toplam 6 farklı karışım üretmiştir. Her bir karışımdan 108 adet 100x100x100 mm boyutlarında küp numuneler üretmiş, üretilen numuneleri 24 saat sonra kalıptan çıkarmış ve 28 gün boyunca sürekli

60 28 suda ve sürekli havada olmak üzere iki farklı başlangıç kürüne tutmuştur. 28 günlük başlangıç küründen sonra ise bir grup numuneyi deney zamanına kadar sürekli suda bırakmış, bir grup numuneyi %10 Na 2 SO 4 çözeltisinde bırakmış diğer bir grubu ise aynı çözeltide fakat ıslanma-kuruma etkisine maruz bırakmış, 60, 90, 180, 270 ve 365 günde basınç dayanımındaki değişimleri saptamıştır. Deneyler sonucu MK kullanımı, bütün test zamanlarında ve kullanım düzeylerinde olumlu etki gösterdiğini ve betonun sülfat direncini artırdığı tespit edilmiştir. Basınç dayanımdaki en küçük düşüşler MK nın çimento ile ağırlıkça %20 yer değiştirildiği betonlarda gözlemlenmiştir. Su/bağlayıcı oranının gerek sadece PÇ içeren gerekse metakaolin katkılı betonların sülfat direnci üzerinde önemli rol oynadığı görülmüş ve su/bağlayıcı oranı 0.55 olan betonların 0.35 olanlara kıyasla sülfattan çok daha fazla etkilendiğini gözlemlemişlerdir Yüksek sıcaklığın metakaolin katkılı harç ve betonlara etkisi Yapılan çalışmalar sonucu yüksek sıcaklıkların hidrate çimento hamuruna etkisi, hamurun hidratasyon derecesi ile nem içeriğine bağlı olduğu ortaya çıkmıştır. Artan sıcaklıkla birlikte hidrate çimento hamuru içindeki serbest su, kapiler su ve jel suyu ortamdan ayrılmaktadır. Hızlı soğumaya bırakılan düşük geçirimliliğe sahip hamurda yüzeysel kapak atma olayı meydana gelebilmektedir. Çimento hamurunda sıcaklık 300 ºC ye ulaştığında C-S-H ara yüzeylerindeki su ve C-S-H ile sülfoalüminattan gelen kimyasal bağ suyunun bir bölümü kaybedilir (Mehta and Monterio, 1997). Betonarme eleman yüksek sıcaklığa maruz kaldığında fiziksel ve mekanik özelliklerinde değişiklikler görülür. Bu değişiklikler, betonun basınç dayanımında ve elastisite modülünde azalma, çatlak oluşumu, parçalanma ve dağılma, çelikte ise akma dayanımı, düktilite ve çekme dayanımında azalmadır. Yangın nedeni ile yüksek sıcaklık etkisine maruz kalan betonarme bir yapının yıkım ya da onarımına karar vermek için yerinde ve laboratuvarda tahribatlı ve tahribatsız deneyler yapılmalıdır (Guise et al., 1996). Poon vd., (2003), %5, %10, %20 oranlarında MK içeren beton numunelerin yüksek sıcaklığa maruz kaldıktan sonraki özellikleri incelemek için 4 normal 4 yüksek mukavemetli beton numuneleri, 2 kontrol numunesi ve bunlara ek olarak %5, %10 silis dumanı içeren, %20 uçucu kül içeren 3 normal 3 yüksek mukavemetli 100x100x100 mm boyutlu küp beton numuneler hazırlamıştır.

61 29 Numuneler dökümden 24 saat sonra kalıptan alıp 28 gün 20 ºC su kürüne tabi tutulduktan sonra, sudan çıkarıp 20 ºC de %75 relatif nemde tutmuş, 60 günün sonunda numuneleri elektrikli fırında 200 ºC, 400 ºC, 600 ºC ve 800 ºC de 1 saat bekletmiş, numuneler fırından çıkarıldıktan sonra oda sıcaklığında soğutmuş ve basınç dayanım testi yapmışlardır. Deney sonuçlarına göre MK içeren betonlarda 200 ºC ye kadar basınç dayanımında artış görülmüş, 400 ºC ye kadar en yüksek basınç dayanımları MK içeren betonlarda gözlenmiştir. Yüksek mukavemetli betonların basınç dayanımında 400 ºC den sonra şiddetli çatlamalar ve dökülmelerle birlikte keskin bir düşüş gözlenmiştir. 400 ºC-800 ºC aralığında MK içeren betonlar zarar görmüş ve basınç mukavemetlerinde ki düşüşün daha fazla olduğu gözlenmiştir. Dökülmeler özellikle 400 ºC-500 ºC de hem normal hem de yüksek mukavemetli beton numunelerde görülmüş, MK içeriği arttıkça dökülmelerde de artış gözlemlenmiştir. Bütün sıcaklıklarda %5 MK içeren betonlar kontrol numunesine ve silis dumanı içeren numunelere göre daha yüksek performans göstermiştir Metakaolin katkılı harç ve betonların su emme özelliği Tosun vd., (2007), MK ve silis dumanı içeren 40x40x160 mm boyutlarındaki örnekler üzerinde kapiler ve toplam su emme miktarlarını tespit etmiştir. 28 gün standart küre tabi tutulan örnekler kurutularak ilk ağırlıkları ölçülmüştür. Kılcal su emme için, alttan 3 mm suya değecek biçimde suya gömülü olarak 24 saat boyunca ağırlık ölçümü alınmış, daha sonra tamamen suya gömülü olarak 24 saat bekletilmiş ve toplam su emme değerleri de tespit edilmiştir. Deneyler sonucunda %15 ve %20 MK içeren harç serileri en az su emme özelliği gösteren harçlar olmuştur. %20 oranında MK kullanımı harçların kontrol serisine göre toplam su emme değerlerini yaklaşık %30 oranında azalttığı görülmüştür. MK katkılı 28 günlük harçların su emme özellikleri, kılcal boşluk oranlarının oldukça düşük seviyelerde olduğu ve kapiler boşlukların da zamanla MK nın yarattığı puzolanik reaksiyon sayesinde azaldığı görülmüştür Metakaolin katkılı harç ve betonların klor geçirgenliği Metakaolin katkılı betonlar, metakaolin katkısız betonlara göre belirgin miktarda düşük klor geçirgenlik değerleri göstermiştir (Zhang and Malhotra, 1995). Cabrera ve Nwaubani, (1998), metakaolin katkılı harçların metakaolin katkısız harçlara göre klor geçirgenlik katsayısının daha düşük olduğunu belirtmişlerdir

62 30 Gruber vd. (2001), 365 ve 1095 günlük harçların klor geçirgenliğini belirlemişlerdir. Zamanın artması, su/bağlayıcı oranının düşmesi ve yüksek aktiviteli metakaolin içeriğinin artmasıyla klor geçirgenliğinin düştüğünü belirtmişlerdir. Araştırmalar, betona metakaolin eklenmesinin betonun direncini artırdığını göstermektedir. Metakaolin eklenmiş betonlarda oluşan genleşmenin, orta veya yüksek C 3 A içeren portland çimentosu kullanıldığı zaman, oldukça azaldığı belirlenmiştir. Bu uygulama, %5 lik Na 2 SO 4 çözeltisi içerisinde 520 gün bekletilen malzemedeki çatlak direncini yükseltmiştir. Yapılan çalışmalar, %15 lik yer değiştirmenin, iyi bir sülfat dayanımı için minimum seviye olarak kabul edilebileceğini göstermektedir. Bunun altında yatan en büyük faktör uygun bir şekilde azaltılmış CH içeriğidir. Sonuçlar, düşük oksijen permeabilitesi ve klor penetrasyonu ölçümleri ile desteklenmiştir. Bütün hamur karışımlarına %0.4-1 arasında klor eklendiği zaman, %20 ye kadar metakaolin karıştırılmış hamurun boşluk solüsyonu içerisindeki klor iyonu konsantrasyonunun, aynı yaştaki kontrol hamurundan daha düşük olduğu örneklerle kanıtlanmıştır. Bu etki, OH - oranındaki azalmayı yok etmektedir. Sonuç olarak, sade ve metakaolin eklenmiş hamurların boşluk solüsyonundaki [Cl - ]/[OH - ] oranı, aynı dozda sodyum klorüre maruz bırakıldıklarında, benzer bulunmuştur. Aslında boşluk solüsyonundaki ph değerinin düşürülmesine rağmen metakaolin eklenmiş portland çimentosu hamurunun ph değeri 12.5 i aşmıştır. Bu nedenle, metakaolin oranı %20 ye kadar olan betonların, çelik korozyonu riskinin oldukça az etkilendiği görülmüştür. Ağırlıkça %10 a kadar metakaolin içeren betonların, organik asitlere direncinde anlamlı bir yükselme bulunmuştur (Vu, 2002).

63 31 4. DENEYSEL ÇALIŞMA 4.1 Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri Çimento Bu çalışmada, Batıçim Batı Anadolu Çimento Sanayii A.Ş tarafından üretilen TS EN standardı ile uyumlu CEM I 42.5 R tipi portland çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun taze olarak kullanılmasına özen gösterilmiş ve nem almayacak şekilde koruyucu kaplarda korunmuştur. Çimentonun üretici firmasından alınan kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri Çizelge 4.1 de verilmiştir Metakaolin Bu çalışmada kullanılan metakaolin Mikron s Mikronize Mineral Endüstrisi ve Tic. A.Ş den 25 kg lık torbalar halinde temin edilmiş olup laboratuvar ortamında kuru olarak deneyler süresince muhafaza edilmiştir. Metakaolinin üreticiden temin edilen bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri Çizelge 4.1 de verilmiştir.

64 32 Çizelge 4.1. Çimentonun ve metakaolinin özellikleri Kimyasal özellikler CEM I 42.5 R Metakaolin Kızdırma Kaybı (%) CaO (%) SiO 2 (%) Al 2 O 3 (%) Fe 2 O 3 (%) MgO (%) SO 3 (%) Na 2 O (%) K 2 O (%) C 3 S (%) C 2 S (%) C 3 A (%) 9.82 C 4 AF (%) 8.03 Fiziksel özellikler 32 mikron üstü (%) mikron üstü (%) mikron üstü (%) Yoğunluk, g/cm Blaine inceliği, cm 2 /g Cl Mekanik özellikler Basınç dayanımı, MPa 2 Günlük Günlük Günlük Agrega Deneylerde, 0-5 mm dane dağılımına sahip kireç taşı kökenli kırma ince agrega kullanılmıştır. Agregaların elek analizi sonuçları Çizelge 4.2 de verilmiştir. Agreganın elek analizi TS 3530 EN standardına uygun olarak yapılmıştır. Agregaların fiziksel özelikleriyle ilgili deney sonuçları Çizelge 4.3 te verilmiştir. Söz konusu deneyler TS EN ve TS EN standardına göreyapılmıştır.

65 33 Çizelge 4.2. Kullanılan ince agreganın dane dağılımı Elek açıklığı, (mm) Geçen, (%) Kalan, (%) Elek altı Çizelge 4.3. Kullanılan ince agreganın bazı fiziksel özellikleri Özellikler 0-5 mm İnce Agrega Birim ağırlık, kg/m³ Sıkışık 1888 Gevşek 1689 Kuru Özgül Ağırlık 2.58 Doygun Yüzey Kuru Özgül Ağırlık 2.72 Su emme oranı, % Karışım ve bakım suyu Deneylerde kullanılan karışım suyu şehir şebekesinden alınan içme suyudur Kimyasal Katkı Harç karışımlarında naftalin sülfonat esaslı YKS (Yapı Kimya Sanayi) BASF Rheobuild 1000 kodlu süperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Bu katkı betona reoplastik özellik vererek betonun erken ve nihai dayanımlarını artıran, yüksek oranda su azaltıcı/süperakışkanlaştırıcı beton katkı malzemesidir. Süperakışkanlaştırıcı katkının teknik özelikleri Çizelge 4.4 te verilmiştir. Çizelge 4.4. Kullanılan kimyasal katkının teknik özellikleri Malzemenin yapısı Renk Yoğunluk Naftalin Sülfonat esaslı Kahverengi 1,184-1,244 kg/litre Klor içeriği % (EN ) < 0,1 Alkali içeriği % (EN < 5

66 Harç Karışımlarının Hazırlanması Çalışmada 5 farklı içerikte harç karışımı tasarlanmıştır. Harç karışımlarında metakaolin çimento yerine ağırlıkça %0, %5, %10, %15 ve %20 oranlarında ağırlıkça kullanılmıştır. Üretilen harç karışımlarının kompozisyonu; ağırlık esasına göre ince agrega/bağlayıcı/su oranları sırasıyla 3/1/0.5 olacak şekilde TS EN Çimento Deney Metotları- Bölüm 1: Dayanım standardına göre saptanmıştır. Harç üretimi 5 litre kapasiteli harç mikserinde yapılmıştır. Karıştırma kabına önce su ve bağlayıcı malzeme konulup su ve bağlayıcı birbiriyle temas eder etmez karıştırıcı düşük hızla çalıştırılmaya başlanmış, yaklaşık 30 saniyelik karıştırmanın ardından agreganın tamamı kesintisiz bir şekilde karışıma ilave edilmiş ve yüksek hızda 30 saniye daha karıştırılmış, mikser durdurulup kabın çeperlerine ve tabanına yapışan harç sıyrılıp kabın ortasında toplandıktan sonra mikser 1 dakika daha çalıştırılıp karıştırma işlemine son verilmiştir. Harç karışımları kalıplara iki tabaka halinde doldurulmuş ve sarsma tablasında sıkıştırılmıştır. Üretilen harçların karışım oranları ve isimlendirilmesi Çizelge 4.5 te verilmiştir. Hazırlanan harçlar su miktarı sabit tutularak hazırlanmıştır. Harç kıvamını azaltıcı mikro yapısal farklılıkların, MK in çok ince tane boyutu ve çubuksu yapısından kaynaklandığı için, kıvam problemini çözmek için akışkanlaştırıcı katkı kullanılmıştır. Kontrol harcı döküldükten sonra yapılan yayılma deneylerinde, yayılma değerleri mm olarak ölçülmüştür. Bu değerler baz alınarak MK katkılı harçlarda akışkanlaştırıcı miktarları belirlenmiştir. Harç karışımlarının yayılma değerleri Çizelge 4.6 da verilmiştir. Çizelge 4.5. Üretilen harç karışımları için malzeme miktarları (3 adet 40x40x160 mm prizmatik örnek için) Karışım Adı Metakaolin Oranı, % Malzeme Miktarları (g) Agrega Çimento Metakaolin Su Süper Akışkanlaştırıcı KH MK MK MK MK

67 35 Çizelge 4.6. Üretilen harç karışımlarının yayılma değerleri Karışım adı Katkı ilave etmeden önce yayılma (mm) Katkı ilave ettikten sonra yayılma (mm) Süper Akışkanlaştırıcı KH MK MK MK MK Örneklerin kürü Çalışmada mekanik deneyleri için üretilen harçlar farklı şekillerde kür edilmiştir. Bu kür yöntemleri aşağıda verilmiştir Standart kür uygulanması Mekanik deneyler için üretilen örnekler standart su kürüne tabi tutulmuştur. Örnekler dökümden bir gün sonra kalıplarından çıkarılmış ve deney günlerine kadar 20±2 o C deki kirece doygun su içerisinde kür edilmiştir Hızlandırılmış kür uygulanması Hazırlanan harç örneklerinin hızlandırılmış dayanımlarının saptanabilmesi için hızlandırılmış kür uygulaması yapılmıştır. Hızlandırılmış kür işlemleri ASTM C Standard Test Method for Making, Accelerated Curing and Testing Concrete Compression Test Specimens standardına uygun olarak yapılmıştır. Uygulanan hızlandırılmış kür yöntemleri ve işlemleri şunlardır: Ilık su kürü yönteminde; örneklerin döküm işleminden yaklaşık olarak 30 dakika sonra, harç kaybı olmaması için, kalıpların ağızları kapatılmış, ve 35 o C deki su içerine konularak 23 saat bekletilmiştir. Bu süre sonunda örnekler kalıplarından çıkarılmış 1 saat sonra eğilme ve basınç deneyleri yapılmıştır (Toplam süre 24 saattir.). Kaynar su kürü yöntemi; örneklerin döküm işleminden sonra, harç kaybı olmaması için, kalıpların ağızları kapatılmış, ve 21 o C deki su içerisine konularak 23 saat bekletildikten sonra, 80±5 o C deki kaynar su içerisine konularak 3.5 saat bekletilmiştir. Kaynar sudan çıkarılan kalıplar 1 saat oda sıcaklığında bekletildikten sonra, kalıplar alınmış, basınç ve eğilme deneyleri yapılmıştır (Toplam süre 28.5 saattir.).

68 36 Otojen kür yöntemi; örnekler döküm işleminden 30 dakika sonra kalıpların üstleri kapatılmış, izolasyonlu strafordan yapılmış kutular içerinde 48 saat süre ile bekletildikten 1 saat sonra basınç ve eğilme deneyleri yapılmıştır (Toplam süre 49 saattir.). Şekil 4.1 de örnekler üzerinde uygulanan otojen kür yöntemi verilmiştir. Şekil 4.1. Örneklere otojen kür uygulanması Yüksek sıcaklık uygulanması Üretilen harçlardan hazırlanan örneklere yapılan işlemler şunlardır: 20±2 o C deki kirece doygun su içerisinde 28 gün süreyle küre tabi tutulmuştur. Örneklere uygulanan kür işlemi sonunda, kür havuzundan çıkarılan örnekler 1 hafta oda sıcaklığında bekletilerek kendiliğinden kurumaya bırakılmıştır. Bu işlemden sonra ayrı ayrı gruplar halinde yüksek sıcaklığın uygulanacağı fırının içerisine konulmuştur. Örnekler, fırın içerisinde 200 o C, 500 o C, 700 o C sıcaklık değerlerine gelinceye kadar 5 o C/dak olacak

69 37 şekilde ısıtılmış, istenilen sıcaklık seviyesi elde edildikten sonra bu sıcaklık seviyesinde 3 saat süre ile bekletilmiştir. Daha sonra fırının ısıtılması işlemine son verilmiştir. Örnekler fırın içerisinde 1 gün süreyle bekletilerek oda sıcaklığında fırından çıkarılmıştır. Tek eksenli basınç deneyine tabi tutulmuştur. Şekil 4.2 de örneklere uygulanan sıcaklık işleminin durumu görülmektedir. Şekil 4.2. Örneklerin ısıtılma ve soğutulma süreçleri 4.4 Deneylerde Kullanılan Örnek Sayısı Bu çalışma kapsamında deneylerde kullanılan örnek sayıları Çizelge 4.7 de verilmiştir (5 farklı harç karışımı için hazırlanan toplam örnek sayısı =5*80 = 400 adettir).

70 38 Çizelge 4.7. Deneylerde kullanılan örnek sayısı Mekanik Deneyler Standart kür uygulanan örnekler (40x40x160mm) Deneyler gün gün gün gün gün gün gün Eğilme deneyi Basınç deneyi * Ilık su kürü uygulanan örnekler (40x40x160mm) Eğilme deneyi 6 Basınç deneyi* 12 Kaynar su kürü uygulanan örnekler (40x40x160mm) Eğilme deneyi 6 Basınç deneyi* 12 Otojen kür uygulanan örnekler (40x40x160mm) Eğilme deneyi 6 Basınç deneyi* 12 Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmış örnekler (50x50x50mm) Basınç deneyi 6 Alkali-silis reaksiyonu deneyi (25x25x285 mm) Sülfata dayanıklılık deneyi(25x25x285 mm) Durabilite Deneyleri Su emme deneyi (40x40x160mm) 3 Geçirgenlik deneyi (150x150x150 mm) *Eğilme deneyleri sonucunda kırılan numunelerden elde edilen 12 parça Uygulanan Deneyler Tez kapsamında üretilen harçlar üzerinde yapılan deneyler aşağıda sıralanmıştır. Yayılma deneyi Puzolanik aktivite deneyi Mekanik deneyler a) Standart ve hızlandırılmış kür uygulanan harçlarda ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi ve tek eksenli basınç deneyi

71 39 b) Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmış harçlarda tek eksenli basınç deneyi Durabilite deneyleri a) Alkali-silis reaksiyonu deneyi b) Sülfata dayanıklılık deneyi c) Su emme deneyi d) Geçirgenlik deneyi Yayılma deneyi Harç yayılma ölçümleri TS EN Kagir Harcı- Deney Metotları- Bölüm 3: Taze Harç Kıvamının Tayini (Yayılma Tablası İle) standardına uygun bir yayılma tablası kullanılarak yapılmıştır. Kıvam deneyi için araştırma kapsamındaki karışımlar hazırlanarak sarsma tablasının kalıbına iki aşamada tokmak ile yerleştirildikten sonra harcın üst yüzeyi düzeltilip kalıp çekildikten sonra sarsma tablası üzerindeki harç 15 saniyede 12.5 mm yükseklikten 15 defa düşürüp bu işlem sonucunda yayılan taze harcın çapı iki ayrı noktadan ölçülerek ortalaması alınmış, taze harçlara ait kıvam değerleri belirlenmiştir. Çalışmada üretilen harçların yayılma değerlerini sabit tutmak için MK içeren harçlarda süperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Yayılma değeri mm oluncaya kadar süperakışkanlaştırıcı ilave edilmiş, karışımların kıvamları bu değer etrafında eşitlenmeye çalışılmıştır Puzolanik aktivite deneyi Tez çalışmasında kullanılan metekaolinin puzolanik aktivite deneyi ASTM C 311 Standard Test Methodf or Sampling and Testing Fly Ash or Natural Pozzolans For Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete standardına göre yapılmıştır. Bu deneyde; 2 tür karışım hazırlanmıştır. Birinci karışımda (kontrol karışımı) bağlayıcı olarak %100 PÇ ve ikinci karışımda ise bağlayıcı %80 PÇ+%20 MK kullanılmıştır. Puzolanik aktivite deneyinde, kontrol harcının

72 40 karışım kompozisyonu; 500 g portland çimentosu g kum ml sudan oluşmaktadır. İkinci karışımda ise karışım kompozisyonu; 400 g portland çimentosu g puzolan (metakaolin) g kum + kontrol karışımının gösterdiği yayılma deneyini sağlayabilecek kadar sudan oluşmuştur. Her iki harçtan 50x50x50 mm boyutlu küp numuneler hazırlanmış, 7 ve 28 gün standart kür uyguladıktan sonra numuneler üzerinde tek eksenli basınç deneyi yapılmıştır. Çalışmada kullanılan metakaolinin dayanım aktivite indeksi aşağıdaki denklem ile hesaplanmıştır. Dayanım aktivite indeksi = (A/B) * 100 Burada; A = Puzolanlı harç numunelerin ortalama basınç dayanımı B = Kontrol harç numunelerinin ortalama basınç dayanımı Standart ve hızlandırılmış kür uygulanan harçlarda ortadan tekil yüklemeli eğilme ve tek eksenli basınç deneyleri 40x40x160 mm ebatlarında üretilen örnekler üzerinde TS EN standardına uygun olarak yükleme hızı 5 kn/s olan 100 kn kapasiteli preste uygun aparat kullanılarak eğilme deneyleri yapılmıştır. İki noktadan aralık 100 mm olacak şekilde mesnetlenen numunelere orta noktalarından yük uygulanarak eğilme dayanımları denklem (4-1) de yerine konularak hesaplanmıştır. σ e = M max / W Denklem (4-1) M max = P*L/4 Denklem (4-2) W= b*h 2 / 6 Denklem (4-3) σ e : Eğilme Dayanımı (MPa) P : Kırılma Yükü (N) L : Numunenin Açıklığı (mm) b : Numunenin Eni (mm) h : Numunenin Yüksekliği (mm)

73 41 Eğilme deneyleri sonucunda kırılan numunelerden oluşan 12 şer parça üzerinde eğilme deneylerinin yapıldığı yükleme hızı 5 kn/s olan 100 kn kapasiteli preste uygun aparat kullanılarak basınç deneyleri yapılmıştır. Kesit alan 40x40 mm olacak şekilde mesnetlenen numunelere orta noktalarından yük uygulanarak basınç dayanımları denklem (4-4) te yerine konularak hesaplanmıştır. σ = P/A Denklem (4-4) σ : Basınç dayanımı (MPa) P : Kırılma yükü (N) A : Numunenin yük doğrultusundaki en kesit alanı (mm²) Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmış örneklerde tek eksenli basınç deneyi Bu çalışma kapsamında yüksek sıcaklık etkisinde kalan 50x50x50 mm boyutlarındaki küp numunelere TS EN standartlarına uygun olarak tek eksenli basınç deneyi uygulanmıştır Alkali-silis reaksiyonu deneyi Alkali-silis reaksiyonu (ASR) deneyi, ASTM C 1260 Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method) standardına uygun agrega ve su/bağlayıcı oranlarına göre dökülen örnekler üzerinde yapılmıştır. ASR deneyinde kullanılan agrega Aliağa yöresinden volkanik kökenli bazaltoit agregasıdır. Çalışmada kullanılan, ASTM C 1260 standardınca önerilen agrega gradasyonu Çizelge 4.8 de verilmiştir. Çizelge 4.8. ASTM C 1260 standardınca önerilen agrega gradasyonu Geçen Kalan Kütlece,% 990 g agrega için (g) Elek No.4 Elek No Elek No.8 Elek No Elek No.16 Elek No Elek No.30 Elek No Elek No.50 Elek No

74 42 ASR deneyleri için 5 farklı karışım ASTM C 1260 a uygun olarak üretilmiştir. Standartta belirtilen gradasyondaki agrega, kütlece bağlayıcının 2.25 katı kullanılarak, su/bağlayıcı oranı 0.47 olan harç karışımlarından 25x25x285 mm boyutlarında harç çubukları hazırlanmıştır. Buna göre, 440 g çimentoyla birlikte 990 g agrega kullanılmıştır. Çimento miktarı %0, %5, %10, %15 ve %20 oranlarında metakaolin ile (çimentonun ağırlığınca) yer değiştirilmiştir. Hazırlanan harçlar su miktarı sabit tutularak hazırlanmıştır. MK nın çok ince tane boyutu ve çubuksu yapısından kaynaklanan kıvam problemini çözmek için MK içeren harçlarda yayılma değerlerini eşitlemek için süperakışkanlaştırıcı katkı kullanılmıştır. Kontrol harcı döküldükten sonra yapılan yayılma deneylerinde elde edilen değerler baz alınarak MK katkılı harçlarda süperakışkanlaştırıcı miktarları belirlenmiştir. Ayrıca standart kalıp yağlarının kalıplarda numune üzerine yapışıp suyun difüzyonunu önlemesinden dolayı bu deneyde standart kalıp yağı yerine atık bırakmayan tipte kayganlaştırıcı teflon sprey kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan tüm malzeme miktarları Çizelge 4.9 da verilmiştir. miktarları Çizelge 4.9. Alkali-silis reaksiyonu deneyi için hazırlanan harç karışımlarının malzeme Karışım Adı Malzeme Miktarları (g) Agrega Çimento MK Su Akışkanlaştırıcı KH MK MK MK MK Bileşenler harç mikserinde karıştırıldıktan sonra kalıplara yerleştirilmiştir. Dökümden 24 saat sonra kalıptan çıkarılmış olan numuneler, ilk boy ölçümleri yapılarak 80 ºC sıcaklıktaki saf suya yerleştirilmişlerdir. Saf suda 24 saat bekletildikten sonra numunelerin komparatörde sıfır okumaları yapılmış ve daha sonra numuneler hazırlanan 80 ºC 1 M NaOH çözeltisi içinde 14 gün bekletilmişlerdir. Periyodik olarak 2 gün arayla, numune boylarındaki değişimlerin ölçülmesiyle genleşme değerleri belirlenmiştir. ASR deneyi sonucunda numunelerde elde edilen genleşme değerleri için ASTM C 1260 standardında genleşmelerin önemi hakkında bir takım sınırlamalar önerilmektedir. Bunlar:

75 43 Güvenli bölge: Genleşme değeri %0.1 in altındaysa ASR problemi yoktur. Şüpheli bölge: Genleşme değeri %0.1 ile %0.2 arasındaysa ASR riski muhtemeldir. Tehlikeli bölge: Genleşme değeri %0.2 değerinin üzerinde ise ASR açısından tehlikelidir Sülfata dayanıklılık deneyi Sülfata dayanıklılık deneyi, ASTM C 1012 Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution standardına uygun olarak yapılmıştır. Deney sodyum sülfat (Na 2 SO 4 ) çözeltisinde bekletilen harç çubuğu numunelerinin boy değişimlerinin tespiti esasına dayanmaktadır. Sülfat etkisiyle meydana gelen genleşmelerin tespiti için %0, %5, %10, %15, %20 MK içeren harçlardan 25x25x285 mm boyutlarında çubuk numuneler hazırlanmıştır. Hazırlanan karışımların basınç dayanımlarının belirlenmesi için 50 mm boyutlu küp örnekler kullanılmıştır. ASTM C 1012 ye göre; karışımlarda kum/çimento oranı 2.75, su/bağlayıcı oranı alınmıştır. Hazırlanan harçlar su miktarı sabit tutularak hazırlanmıştır. MK nın çok ince tane boyutu ve çubuksu yapısından kaynaklanan kıvam problemini çözmek için MK içeren harçlarda yayılma değerlerini eşitlemek için süperakışkanlaştırıcı katkı kullanılmıştır. Kontrol harcı döküldükten sonra yapılan yayılma deneylerinde elde edilen değerler baz alınarak MK katkılı harçlarda süperakışkanlaştırıcı miktarları belirlenmiştir. Ayrıca standart kalıp yağlarının kalıplarda numune üzerine yapışıp suyun difüzyonunu önlemesinden dolayı bu deneyde standart kalıp yağı yerine atık bırakmayan tipte kayganlaştırıcı teflon sprey kullanılmıştır. Deneyde kullanılan malzeme miktarları Çizelge 4.10 da verilmiştir. Çizelge Sülfata dayanıklılık deneyinde kullanılan malzeme miktarları Karışım Adı Malzeme Miktarları (g) Agrega Çimento MK Su Akışkanlaştırıcı KH MK MK MK MK

76 44 Üretilen numuneler ilk gün 35 ºC ve %100 bağıl nemli ortamda kür edilmiştir. Hazırlanan karışımların dayanımlarının 20 MPa a ulaşma süreleri 50 mm boyutlu küp örneklerle tespit edişmiş, bu dayanıma ulaşan karışımlara ait çubuk numuneler ASTM C 1012 ye göre hazırlanan 50g/l lik sodyum sülfat çözeltisinde bekletilmeye başlanmıştır. Tosun vd., (2003) tarafından daha önce yapılan bir çalışmada söz konusu çözeltinin, hazırlanan karışımların sülfat dayanıklılığı açısından farklılıklarını ortaya koymada yetersiz kaldığı anlaşılmıştır. Bu nedenden dolayı Yazıcı, (2006) yaptığı çalışmada 150 g/l lik sodyum sülfat çözeltisi kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında numuneler 6 ay boyunca hem 50 g/l lik sodyum sülfat çözeltisinde hem de 150 g/l lik sodyum sülfat çözeltisinde ayrı ayrı bekletilmiştir. Zamanla harçların kirecinin çözülmesi sebebiyle ph ı artan çözelti dört haftada bir değiştirilmiştir. 180 gün boyunca periyodik olarak çubuk numunelerin boy ölçümleri yapılmış ve genleşmeler kaydedilmiştir Su emme deneyi Tez kapsamında üretilen harçlar üzerinde TS 3624 e uygun olarak su emme deneyi yapılmıştır. Suda kür edilen 40x40x160 mm boyutlarındaki üçer adet prizmatik numunenin 28. gündeki su emme değerleri bulunmuştur. Üretilen harç karışımları için Çizelge 4.5 de verilen malzeme miktarları kullanılmıştır. TS 3624 standardına uygun olarak numunelerin sırasıyla etüv kurusu ağırlıkları, su içinde tutulduktan sonra suya doygun ağırlıkları ve su içindeki ağırlıkları tayin edilmiştir. Hazırlanan harç karışımları 24 saat kalıpta bekletilmiş, kalıptan alındıktan sonra 20 ºC suda kür edilmiştir. 28 gün suda kür edilen örnekler tartıldıktan sonra 24 saat 105±5 ºC etüvde kurutularak fırın kurusu ağırlıkları ölçülmüştür. Etüvde kurutulan numuneler 24 saat 21±2 ºC deki suda bekletilmiştir. Daha sonra çıkarılarak üzerindeki su havlu ile alınmış ve tartılarak ıslak ağırlığı bulunmuştur. Islak ağırlık ile kuru ağırlığın farkı alınıp kuru ağırlığa bölünmüş 100 ile de çarpılarak, ağırlıkça yüzde olmak üzere, su emme değerleri bulunmuştur. Bu numuneler daha sonra su içinde 5 saat kaynatıldıktan sonra 14 saat süreyle sıcaklıkları C ye düşünceye kadar çevre sıcaklığında soğumaya bırakılmış ve yüzey ıslaklığı alınarak ağırlıkları tespit edilmiştir. Kaynatılarak bulunan ıslak

77 45 ağırlık ile kuru ağırlığın farkı alınıp kuru ağırlığa bölünmüş 100 ile de çarpılarak, ağırlıkça yüzde olmak üzere, su emme değerleri bulunmuştur. Numunelerin su emme yüzdeleri de denklem (4-5) te verilen formül yardımı ile hesaplanmıştır. Su emme, (%) = (W d -W 0 )/W 0 Denklem (4-5) Bu bağıntıda; W d : Numunenin suya doygun durumda havadaki ağırlığı, g. W 0 : Numunenin 24 saat 105±5 ºC de kurutulmuş ağırlığı, g Geçirgenlik deneyi Geçirgenlik deneyi TS 3455 Betonda Geçirgenlik Katsayısı Tayin Metodu standardına uygun olarak yapılmıştır. Üretilen harç karışımları için Çizelge 4.5 te verilen malzeme miktarları kullanılmıştır. Her bir harç karışımından 150 mm boyutlu küp numuneler hazırlanmış, kalıplanan deney numuneleri 20±2 ºC sıcaklık ve %90 nemli kür odasında 24 saat bekletildikten sonra kalıptan alınarak 20±2 ºC sıcaklıktaki kirece doygun su içerisinde 60 gün bekletilmiştir. Deney günleri gelen numuneler üst ve alt yüzeylerinde su geçecek kısımlar dışında, deney yüzeyleri tamamen parafinle yalıtıldıktan sonra geçirgenlik aygıtına yerleştirilmiştir. Deney için TS 3455 e uygun geçirimlilik aleti ve hava kompresörü kullanılmıştır. Basınç düzeneği çalıştırılarak, numunelere 5 atmosfer basınçtaki su uygulanmıştır. Her bir deney numunesi geçirimlilik aletine yerleştirildikten sonra 72 saat boyunca, her 8 saate bir su seviyesi okunarak deneyler gerçekleştirilmiştir. Başlangıçtan itibaren geçen zaman (t) ve geçen su miktarları (V) uygun aralıklarla kaydedilmiştir. Harçların K 60 geçirgenlik katsayısı denklem (4-6) daki bağıntı ile hesaplanmıştır. K 60 = (V S *L)/(t s *P*A) Denklem (4-6) Burada;

78 46 K 60 = 60 günlük betonun geçirgenlik katsayısı (cm/s) V S = t s saat aralıkla ölçülen toplam su miktarları farkı V 2 -V 1 (cm³) t s = V 1 ve V 2 toplam su miktarı ölçümleri arasında geçen zaman (s) P = Uygulanan su basıncı (cm su sütunu). A = Su basıncının uygulandığı deney numunesi yüzeyinin alanı (cm²) Şekil 4.3 te örneklerin geçirimlilik aletine yerleştirilmesi verilmiştir. Şekil 4.3. Örneklerin geçirimlilik aletine yerleştirilmesi.

79 47 5. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRİLMESİ 5.1 Puzolanik Aktivite Deneyi Sonuçları Çalışmada kullanılan metakaolinin puzolanik aktivite deneyi ASTM C 311 standardına uygun olarak yapılmıştır. Yapılan bu deneyde 50 mm ayrıtlı küp örneklerin 7 ve 28 günlük basınç dayanımları saptanmış ve dayanım aktivite indeksleri hesaplanarak elde edilen sonuçları Çizelge 5.1 de verilmiştir. Çizelge 5.1. Çalışmada kullanılan metakaolinin puzolanik aktivite indeksi sonuçları Basınç dayanımı, MPa Dayanım aktivite indeksi, % Karışım Adı 7 gün 28 gün 7 gün 28 gün Kontrol harcı MK katkılı harç Yapılan puzolanik aktivite deneyi sonucunda MK nın 7 ve 28 günlük puzolanik aktivite indeksi değerlerinin sırasıyla %62 ve %87 mertebesinde olduğu görülmektedir. Çalışmada kullanılan MK nın 28 günlük indeks değeri hem ASTM C 618 Standard Specification For Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use As a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete standardında (%75) hem de TS 25 Doğal puzolan (tras)-çimento ve betonda kullanılan tarifler, gerekler ve uygunluk kriterleri standardında (%70) önerilen değerleri sağladığı ve dolayısıyla puzolanik özelliğe sahip bir malzeme olduğu anlaşılmıştır. Özer in (2009), saflaştırılmamış ham kaolin kilini pişirerek elde ettiği 21 farklı metakaolin numunesi üzerinde ASTM C 311 standardına göre yaptığı dayanım aktivite indeksi deneyleri de bu çalışmada bulunan sonuçları destekler nitelikte olup 28 günlük numunelerin puzolanik aktivite indislerinin %79 ile %106 arasında olduğu ifade edilmiştir. 5.2 Standart Kür Uygulanan Harçlardan Elde Edilen Mekanik Deney Sonuçları Ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi sonuçları Tez kapsamında üretilen 5 farklı (MK içeren ve içermeyen) harçtan hazırlanan ve standart küre tabi tutulan 40x40x160 mm boyutlarındaki örnekler üzerinde

80 48 yapılan eğilme deneylerinden elde edilen sonuçlar Çizelge 5.2 de verilmiştir. Çizelgede verilen değerler 6 adet örneğin dayanım ortalamasıdır. Ayrıca üretilen harç örneklerinin zamana bağlı eğilme dayanımı gelişimleri de grafik olarak Şekil 5.1 de, harçların bağıl eğilme dayanımı oranları Şekil 5.2 de sunulmuştur. Çizelge 5.2. Standart küre tabi tutulan harçların eğilme dayanımları Harç adı *Eğilme dayanımı, MPa 1 Gün 3 Gün 7 Gün 28 Gün 56 Gün 90 Gün 180 Gün KH MK MK MK MK Şekil 5.1. Harçların zamana bağlı eğilme dayanımı gelişimleri

81 49 Şekil5.2. Harçların bağıl eğilme dayanımı oranları Şekil 5.1 ve Şekil 5.2 deki sonuçlar incelendiğinde, üretilen harçların 1 günlük eğilme dayanımlarının 3.1 ile 3.8 MPa arasında değiştiği görülmektedir. En yüksek eğilme dayanımı 3.8 MPa ile kontrol harcında (KH,) en düşük eğilme dayanımı ise 3.1 MPa olarak MK4 harcında elde edilmiştir. 1 günlük periyotta metakaolin kullanım oranı arttıkça üretilen harçların eğilme dayanımlarının azaldığı anlaşılmaktadır. Bu azalmalar, %5 ve %10 metakaolin oranlarında kullanılan MK1 ve MK2 harçlarında %8, %15 metakaolin kullanılan MK3 harcında %16 ve %20 metakaolin kullanılan MK4 harcında ise %18 mertebesinde gerçekleşmiştir. Bu sonuçlar 1 günlük periyotta metakaolin kullanımının eğilme dayanımına olumlu katkısının olmadığını göstermektedir. 3 günlük periyotta en yüksek eğilme dayanımı değeri MK3 harcında (7.2 MPa), en düşük eğilme dayanımı değeri ise KH ve MK1 harcında (6.7 MPa) elde edilmiştir. 3 günlük kür süresi sonunda; MK içeren harçların eğilme dayanımları kontrol harcının eğilme dayanımından %7 ye varan oranlarda daha yüksek değerler almıştır. En yüksek artış %15 metakaolin içeren MK3 harcında oluşmuştur. 7 gün ve sonrasındaki yaşlarda; %5-20 metakaolin içeren harçların tamamının eğilme dayanımlarının kontrol harcının üzerinde çıktığı görülmektedir. 7 gün ve sonrasındaki kür sürelerinde en yüksek eğilme dayanımı değerleri genellikle %10 ve %15 metakaolin içeren harçlarda elde edilmiştir. Metakaolin kullanımı ile eğilme dayanımlarının özellikle 28 güne kadar etkili bir şekilde arttığı, 28 günden

82 50 sonra ise eğilme dayanımı kazanım hızının düşme eğilimine girdiği görülmektedir. 180 günlük kür süresi sonunda kontrol harcına kıyasla metakaolin içeren harçların %3 ile %13 arasında değişen oranlarda daha yüksek eğilme dayanımına sahip oldukları görülmüştür. 180 günlük kür sonunda en yüksek eğilme dayanımı 12.6 MPa olarak MK3 harcında elde edilmiş durumdadır. Tüm bu sonuçlara göre %5-20 arasında çimento yerine metakaolin kullanımının harçlarda 1 günden sonraki kür sürelerinde eğilme dayanımına olumlu katkı yaptığını göstermektedir Tek eksenli basınç deneyi sonuçları Üretilen harçlardan hazırlanan örnekler üzerinde yapılan tek eksenli basınç deneyi sonuçları Çizelge 5.3 te verilmiştir. Basınç deneyinde eğilme deneyinde kullanılan örneklerden elde edilen parçalar kullanılmıştır. Çizelgede verilen sonuçlar 12 adet 40x40 mm boyutlarındaki örneklerin basınç dayanımlarının ortalamasıdır. Ayrıca üretilen harç örneklerinin zamana bağlı basınç dayanımı gelişimleri de grafik olarak Şekil 5.3 te ve harçların bağıl basınç dayanımı oranları Şekil 5.4 de sunulmuştur. Çizelge 5.3. Standart küre tabi tutulan harçların basınç dayanımları Harç adı *Basınç dayanımı, MPa 1 Gün 3 Gün 7 Gün 28 Gün 56 Gün 90 Gün 180 Gün KH MK MK MK MK

83 51 Şekil 5.3. Harçların zamana bağlı basınç dayanımı gelişimleri Şekil 5.4. Harçların bağıl basınç dayanımı oranları Çizelge 5.3 ve Şekil 5.3 teki sonuçlar incelendiğinde, KH ile %5, %10 ve %15 oranlarında MK içeren harçların 1 günlük basınç dayanımlarının 18 MPa civarında benzer seviyede olduğu görülmektedir. 1 günlük kür süresi sonunda en düşük basınç dayanımı %20 oranında metakaolin içeren MK4 harcında elde edilmiştir. MK4 harcının 1 günlük basınç dayanımı KH nın basınç dayanımının sadece %8 altındadır. 3 ve daha sonraki kür sürelerinde ise %5, %10, %15 ve %20 metakaolin içeren harçların tamamı KH dan daha yüksek basınç dayanımlarına

84 52 sahip oldukları belirlenmiştir. En yüksek basınç dayanımı değerleri 1 günden sonraki yaşlar için %15 oranında metakaolin içeren MK3 harcında elde edilmiştir. Çizelge 5.3 ve Şekil 5.4 teki sonuçlar incelendiğinde metakaolin içeren harçların erken yaşlarda (1, 3 ve 7 günlük kısa periyotta) basınç dayanımlarının kontrol harcından daha yüksek oranda arttığı görülmüştür. Metakaolin içeren harçların 1 günlük dayanım kazanma oranları %92 ile %102 arasında, 3 günlük periyotta ise %106 ile %119 arasında, 7 günlük periyota ise %106 ile %119 arasında elde edilmiştir. Tüm bu sonuçlar, genel olarak puzolan içeren harç ve betonların erken yaşlarda dayanım kazanmalarının düşük olduğu bilinmesine rağmen, metakaolinin erken yaşlarda da basınç dayanımı kazanımına olumlu katkısının olduğunu göstermektedir. Yine aynı tablodaki sonuçlar incelendiğinde; metakaolin içeren harçlarda dayanım artışlarının 90 güne kadar sürdüğü, 180 günde ise bir miktar azaldığı görülmüştür. Yine bu sonuçlar metakaolinin ileriki yaşlarda beton ve harç dayanımına katkı sağladığını göstermektedir. Tez kapsamında eğilme dayanımı ve basınç dayanımı açıcından en iyi dayanımlar çimento yerine %15 MK kullanılarak üretilen MK3 serisinde elde edilmiştir. Khatib de (2008) MK nın basınç dayanımına etkisini araştırdığı çalışmasında optimum yer değiştirme miktarının bu tez kapsamında yapılan deneyler sonucunda da tespit edildiği gibi %15 MK ile elde edildiğini ifade etmiştir. Yine bu çalışma kapsamında yapılan sonuçları destekleyen diğer bir çalışmada Qian vd., (2001) metakaolin katkılı betonların çekme ve eğilme dayanımını incelemiş ve sonuçta, en yüksek eğilme dayanımlarının MK miktarının %10 ve %15 olduğu serilerde olduğunu bulmuştur. Tosun vd., (2007) ise çimento yerine %5, %10, %15 ve %20 MK kullanarak yaptığı çalışmada 28 günlük çimento harçlarında, en yüksek basınç ve eğilme dayanımlarını %20 MK içeren örneklerle elde etmiştir. Hamalı ise (2007), su/bağlayıcı oranı 0.45 olan karışımlarda çimento yerine %8 ve %16 MK kullanarak yaptığı benzer çalışma sonucunda en yüksek basınç dayanımını 7 günde %16 MK kullanımında, 28 günde en yüksek basınç dayanımını %8 MK kullanımı ile elde etmiştir.

85 Hızlandırılmış Kür Uygulanan Harçlardan Elde Edilen Mekanik Deney Sonuçları Ortadan tekil yüklemeli eğilme deneyi sonuçları 40x40x160 mm boyutlarında üretilen her karışıma ait altışar adet prizmatik örnekler üzerinde eğilme deneyleri yapılmıştır. İki noktadan aralığı 100 mm. olacak şekilde mesnetlenen numunelere orta noktalarından yük uygulanarak eğilme dayanımları bulunmuştur. Üretilen harçlar üzerinde yapılan hızlandırılmış kür işlemleri sonucunda elde edilen eğilme dayanımı sonuçları Çizelge 5.4 de ve Şekil 5.5 de verilmiştir. Çizelgede verilen değerler 6 adet örneğin dayanım ortalamasıdır. Ayrıca üretilen harçların 28 günlük standart eğilme dayanımına kıyasla hızlandırılmış kür ile elde edilen dayanım kazanım oranları da grafik olarak Şekil 5.6 da sunulmuştur. Çizelgede verilen eğilme dayanımı sonuçları, ılık su küründe 24 saat, kaynar su küründe 28.5 saat, otojen kürde 49 saat, standart kürde ise 1, 3 ve 28 günlük değerlerdir. Çizelge 5.4. Hızlandırılmış küre tabi tutulan harçların eğilme dayanımları Eğilme Dayanımı, MPa Harç Adı Ilık su Kaynar su Otojen kür 1 gün 3 gün 28 gün kürü (24 (28.5 saat) (49 saat) saat) KH MK MK MK MK Hızlandırılmış kür yöntemleri ile tüm harç serilerinde eğilme dayanımları 1 günlük dayanımların üstünde elde edilmiştir. Otojen kür ile kontrol harcının 1 günlük dayanımının %87 fazlası, MK2 harcının ise % 97 fazlası elde edilmiştir. Ilık su kürü ile MK3 harcının 1 günlük dayanımının %66 fazlası, kaynar su kürü ile, %72 si elde edilmiştir. Hızlandırılmış kür yöntemleri ile elde edilen eğilme dayanımı sonuçları 3 günlük dayanımlarla karşılaştırıldığında; genel olarak KH harcı ve MK içeren harçların eğilme dayanımlarının 3 günlük dayanıma kıyasla azda olsa düşük kaldığı görülmüştür.

86 54 Şekil 5.5. Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların eğilme dayanımları Şekil 5.6. Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların bağıl eğilme dayanım oranları Çizelge 5.4 te ve Şekil 5.5 teki sonuçlar incelendiğinde; hızlandırılmış kür uygulaması ile metakaolin içeren harçlar içerisinde en yüksek eğilme dayanımları %10 metakaolin içeren MK2 harçlarında, en düşük eğilme dayanımları ise %20 metakaolin içeren MK4 harçlarında elde edilmiştir. Ilık su küründe; en yüksek eğilme dayanımı 5.3 MPa seviyesinde MK2 ve MK3 harçlarında, sıcak su küründe ise; 6 MPa seviyesinde MK2 harcında ve otojen kür de ise; 7.1 MPa seviyesinde KH da elde edildiği görülmektedir. Ilık ve kaynar su

87 55 kürlerinde; %10 ve %15 oranlarında metakaolin içeren MK2 ve MK3 harçlarının KH dan daha yüksek erken eğilme dayanımı kazanmış olduğu, otojen kürde ise; tüm metakaolin içeren harçların KH dan daha düşük eğilme dayanımına sahip oldukları saptanmıştır. Yalnız portland çimentosu içeren KH nın hidratasyon ısısının diğer harç serilerinden yüksek olması dayanım kazanma hızını olumlu etkilemiştir. Hızlandırılmış kür yöntemleri içerisinde üretilen harçlarda en yüksek eğilme dayanımları otojen kür işlemi sonunda elde edilmiştir. En düşük eğilme dayanımları ise ılık su küründe oluşmuştur. Bu sonuçlar otojen kürün kısa periyotta çimento ve metakaolin hidratasyonunun ılık ve kaynar suya kıyasla daha hızlı geliştiğini göstermektedir. Şekil 5.6 daki grafik incelendiğinde, kontrol harcına 28 günlük standart dayanımının %50 si ılık su kürü ile %54 ü kaynar su kürü ile %71 i otojen kür ile kazandırılmıştır. %5-20 arasındaki oranlarda metakaolin içeren harçlarda ise; en yüksek dayanım kazanımı MK3 harcında, ılık su kürü için %55, sıcak su kürü için %56, otojen kür için ise %58 i mertebesinde elde edilmiştir Tek eksenli basınç deneyi sonuçları Üretilen harçlar üzerinde yapılan hızlandırılmış kür işlemleri sonucunda elde edilmiş olan basınç dayanımı sonuçları Çizelge 5.5 de ve Şekil 5.7 de verilmiştir. Çizelgede verilen sonuçlar 12 adet 40x40 mm boyutlarındaki örneklerin basınç dayanımlarının ortalamasıdır. Ayrıca üretilen harçların 28 günlük standart basınç dayanımına kıyasla hızlandırılmış kür ile elde edilmiş olan dayanım kazanım oranları da grafik olarak Şekil 5.8 de verilmiştir. Çizelgede verilen basınç dayanımı sonuçları, ılık su küründe 24 saat, kaynar su küründe 28.5 saat, otojen kürde 49 saat, standart kürde ise 1, 3 ve 28 günlük değerlerdir. Çizelge 5.5. Hızlandırılmış küre tabi tutulan harçların basınç dayanımları Harç Adı 1 gün 3 gün 28 gün Basınç Dayanımı (MPa) Ilık su kürü (24 saat) Kaynar su (28.5 saat) Otojen kür (49 saat) KH MK MK MK MK

88 56 Şekil 5.7. Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların basınç dayanımları Şekil 5.8. Hızlandırılmış küre tabi tutulmuş harçların bağıl basınç dayanım oranları Çizelge 5.5 te ve Şekil 5.7 deki sonuçlar incelendiğinde; hızlandırılmış kür uygulaması ile üretilen harçlarda en yüksek basınç dayanımı %10 metakaolin içeren MK2 harcında, en düşük dayanım ise %20 metakaolin içeren MK4 harcında elde edilmiştir. Hızlandırılmış kür işlemleri içerisinde en yüksek dayanımların otojen kür işlemi ile en düşük dayanımların ise ılık su kürü ile kazandırıldığı anlaşılmaktadır. En yüksek basınç dayanımları, ılık su küründe 29.3 MPa seviyesinde MK1 harcında, kaynar su küründe ise 30.6 MPa ile kaynar su

89 57 küründe MK2 harcında, otojen kürde ise 32.4 MPa seviyesinde KH da elde edilmiştir. Hızlandırılmış kür yöntemleri ile tüm harç serilerinde basınç dayanımları 1 günlük dayanımların üstünde elde edilmiştir. Otojen kür ile KH nın 3 günlük basınç dayanımının %90 ı, MK2 harcının %83 ü elde edilmiştir. Metakaolin içeren harçlar içerisinde hızlandırılmış kür uygulamaları ile en yüksek basınç dayanımlarının genel olarak %5 ve %10 metakaolin kullanılan MK1 ve MK2 harçlarında elde edilmiştir. Şekil 5.8 deki grafik incelendiğinde, kontrol harcına 28 günlük standart dayanımının %59 u ılık su kürü ile %62 si kaynar su kürü ile %68 i otojen kür ile kazandırılmıştır. %5-20 arasındaki oranlarda metakaolin içeren harçlarda ise; en yüksek dayanım kazanımı MK1 harcında, ılık su kürü için %57, sıcak su kürü için %61, otojen kür için ise %62 mertebesinde elde edilmiştir. Metakaolin oranı yükseldikçe hızlandırılmış kür ile kazanılan dayanım oranlarında azalma görülmüştür. Ayrıca hızlandırılmış kür işlemleri ile sadece PÇ içeren KH nın değişik oranlarda metakaolin içeren harçlardan daha etkin olarak erken dayanım kazandığı da anlaşılmıştır. Yalnız portland çimentosu içeren KH nın hidratasyon ısısının diğer harç serilerinden yüksek olması dayanım kazanma hızını olumlu etkilemiştir. Literatürde MK içeren harçların hızlandırılmış kür işlemleri sonunda dayanıma etkisi konusunda herhangi bir çalışmaya rastlanmadığından bir karşılaştırma yapılamamıştır. 5.4 Yüksek Sıcaklığa Maruz Bırakılmış Örneklerin Tek Eksenli Basınç Deneyi Sonuçları Tez kapsamında üretilen harçlardan hazırlanan 50 mm ayrıtlı küp örnekler 28 günlük standart kür sonrasında fırın içerisinde 200 o C, 500 o C, 700 o C sıcaklık değerlerine gelinceye kadar 5 o C/dak olacak şekilde ısıtılmış, istenilen sıcaklık seviyesi elde edildikten sonra bu sıcaklık seviyesinde 3 saat süre ile bekletilmiştir. Daha sonra fırının ısıtılması işlemine son verilmiş, örnekler 1 gün bekletilerek oda sıcaklığında fırından çıkartılmış ve basınç deneyi yapılmıştır. Basınç deneyi sonuçları Çizelge 5.6 da verilmiştir. Çizelgede verilen değerler 6 adet örneğin dayanım ortalamasıdır.

90 58 Çizelge 5.6. Yüksek sıcaklığa maruz bırakılan numunelerin basınç dayanımları Basınç Dayanımı (MPa) Numune adı Kontrol numuneler* 200 C 500 C 700 C KH MK MK MK MK *Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmayan, 28 gün standart kür uygulanan numuneler. Üretilen harçların kontrol numunelerinin basınç dayanımına kıyasla bağıl basınç dayanımı oranları Şekil 5.9 da verilmiştir. Şekil 5.9. Harç numunelerinin bağıl basınç dayanımı-sıcaklık ilişkisi Şekil 5.9 daki grafik incelendiğinde örneklere uygulanan basınç deneyi sonuçlarına göre 200 C de tüm harç serilerinde basınç dayanımı azda olsa artmıştır. Basınç dayanım artış oranı KH harcında %2 iken, MK1, MK2, MK3 ve MK4 harçlarında sırasıyla, % 3.3, %3.5, %4.5 ve %2.8 dir. %15 MK içeren MK3 harcının yüksek sıcaklığa maruz bırakılmayan durumdaki basınç dayanımı 54.9 MPa iken 200 C yüksek sıcaklığa maruz bırakıldıktan sonra 57.4 MPa bulunmuştur. Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmayan harç serileri içinde en yüksek dayanımı gösteren %15 MK içeren MK3 harcı, 200 C yüksek sıcaklığa maruz bırakılan harç serileri içinde en yüksek basınç dayanım artışını göstermiştir.

91 C deki bu dayanım artışları, harç içerisinde kimyasal olarak bağlı olmayan, buharlaşabilen suyun kaybına bağlanabilir. Hamur içerisindeki suyun uzaklaşması sonucu Van der Waals kuvvetlerinin daha etkin hale gelmesi, taneciklerin birbirine daha kuvvetli bağlanması da dayanım artışına etken olmuştur. Ayrıca buharlaşabilen serbest su ile hamur içerisinde, hidrate olmamış çimento tanelerinin hidratasyonun da bu dayanım artışına katkı sağladığı söylenebilir. 500 C de tüm karışımlarda dayanım kaybı görülmüştür. Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmamış kontrol numunelerin dayanımları ile kıyaslanır ise; dayanım kaybı KH harcında %49.5 iken, MK1, MK2, MK3 ve MK4 harçlarında sırasıyla, %51.7, %53.6, %54.3 ve %54 dür. Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmayan örneklerin dayanımlarıyla kıyaslandığında 500 C de MK içeren tüm karışımlarda, yalnız portland çimentosu içeren kontrol harcı serisine göre daha fazla dayanım kayıpları meydana gelmiştir. 700 C de tüm karışımlarda dayanım kaybı görülmüştür Yüksek sıcaklığa maruz bırakılmamış kontrol numunelerin dayanımları ile kıyaslanır ise; dayanım kaybı KH harcında %90.1 iken, MK1, MK2, MK3 ve MK4 harçlarında sırasıyla, %91.3, %91.4, %91.7 ve %91.5 dir. 700 C de MK içeren tüm karışımlarda, yalnız portland çimentosu içeren KH harcına göre daha fazla dayanım kayıpları meydana gelmiştir. Bunun nedeni olarak metakaolin içeren harçların geçirimliliğinin düşük olması ve yüksek sıcaklık etkisinde ortaya çıkan su buharının harç bünyesinden geçişinin zorlaşması ve buhar basıncının artmasıyla bu harçların daha fazla zarar görmesi söylenebilir. Deney sonuçlarına göre 500 o C ve 700 o C yüksek sıcaklık etkisinde harçların mekanik özellikleri olumsuz etkilenmiş ve dayanım kayıpları meydana gelmiştir. Bu sıcaklıklara maruz kalan harç örneklerinin yüzeylerinde çatlamalar gözlenmiştir. Bu sıcaklıklarda harçların içerisindeki su kaybı nedeniyle porozitenin arttığı ve dolayısıyla da dayanım kayıplarının meydana geldiği söylenebilir. Poon vd., (2003), %5, %10, %20 oranlarında MK içeren 100 mm ayrıtlı küp örnekleri, 60 günlük standart kürden sonra fırında 200 ºC,400 ºC, 600 ºC ve 800 ºC de 1 saat bekletmiş, numuneler fırından çıkarıldıktan sonra oda sıcaklığında soğutup yaptığı basınç deneyi sonuçlarını bu tez kapsamında yapılan deney sonuçlarına benzer olarak, 200 ºC ye kadar basınç dayanımında artış, 400 ºC den sonra şiddetli çatlamalar ve dökülmelerle birlikte basınç dayanımlarında keskin bir düşüş olduğu sonucuna varmıştır. Ayrıca ºC aralığında MK içeren

92 60 betonların daha fazla zarar gördüğünü ve basınç mukavemetlerinde ki düşüşün de daha fazla olduğunu ifade etmiştir. Mehta ve Monterio, (1997) yüksek sıcaklık etkisi ile meydana gelen dayanım kayıplarının nedeni şöyle açıklamıştır: Çimento hamurundaki jel yapıyı oluşturan kalsiyum silikat hidratenin (C- S-H) katı öğeleri, adsorbsiyon suyu yardımıyla birbirine bağlanmaktadır ve adsorbsiyon suyu 300 C den itibaren buharlaşmaya başlamaktadır. Buharlaşan su, harcın büzülerek çatlamasına neden olmakta ve dayanım kayıpları meydana gelmektedir. Özellikle 500 C ve daha yüksek sıcaklıklarda çimentonun içyapısı bozulmakta ve daha büyük boşluklar oluşmaktadır. 5.5 Alkali-Silis Reaksiyonu Deneyi Sonuçları Çalışmada kullanılan MK nın ASR gelişimine etkisi incelenmiş ve ASTM C 1260 a göre yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar Çizelge 5.7 de ve Şekil 5.10 da verilmiştir. Çizelge 5.7. ASR Genleşmeleri Gün Genleşme, % KH MK1 MK2 MK3 MK4 2. Gün Gün Gün Gün Gün Gün Gün

93 61 Şekil ASR Genleşmeleri Bütün harçların genleşmeleri incelendiğinde en düşük genleşme değeri 2. gün sonunda görülürken; en fazla genleşme değerleri de kimyasal reaksiyonun ilerlemesinden dolayı 14. gün sonundaki ölçümlerde elde edilmiştir. Şekil 5.10 daki grafik incelendiğinde 14 gün sonunda kontrol harcının genleşmesi %0.45 olup standart limitin (%0.10) 4.5 katı çıkmıştır. Genleşme miktarı %5 MK içeren MK1 ve %10 MK içeren MK2 harçlarında KH harcına göre düşük olup sırasıyla %0.42, %0.20 bulunmuştur. %15 MK içeren MK3 ve %20 MK içeren MK4 harçlarda ise genleşmeler güvenli seviyede kalmıştır (<%0.1) ve genleşme miktarları sırasıyla %0.06, %0.07 dir. KH harcının genleşmesi, (0.45) MK3 harcının genleşme miktarının 7.5 katı, MK4 ün ise 6.5 katı çıkmıştır. Bazalt agrega kullanılarak üretilen harçlarda çimento yerine ağırlıkça %15-20 oranlarında MK kullanımının harç çubuklarında ASR nedeniyle meydana gelen genleşme değerlerini iyi derecede azalttığı gözlemlenmiştir. Ramlochan vd., de (2000) %0, %5, %10, %15, %20 oranlarında MK kullanarak aynı deneyi yapmış ve sonuç olarak bu tez kapsamında yapılan deney sonuçlarına benzer olarak 14 gün sonunda genleşme oranlarını % 15 MK içeren harçlarda %0.05 seviyesinde tespit etmiştir. Deney sonuçlarına göre çimento yerine %15 oranlarında MK kullanımının 14 günlük genleşmeleri sınır değer olan %0.10 un altında tutmak için yeterli olduğunu rapor etmiştir. MK nın ASR yi azaltmasının ve düşük genleşme değerlerinin elde edilmesinin başlıca üç nedeni şu şekilde açıklanabilir:

94 62 1. MK kullanımı ile harçların geçirimsizliği artar ve böylece harç içerisine nemin girişi de zorlaşır. Bunun sonucunda da alkali ve reaktif silisin oluşturacağı jellerde görülebilecek genleşmenin azalabileceği söylenebilir. 2. MK kullanımı ile harçtaki CH ile aktif SiO 2 nem ve suyun da varlığıyla yeni C-S-H jelleri oluşturarak mevcut alkalilerin bağlanmasını sağlarlar. Böylece boşluk suyundaki ph değeri düşer ve reaktif silisin çözünmesi de azaltılarak ASR etkisini düşürür. 3. Ağırlıkça çimento yerine MK kullanımı ile harç karışımlarındaki çimento miktarı azalır. Bu da ASR oluşmasında etkili olan ve çimentodan gelen alkali miktarının azalmasına neden olur. MK de bulunan alkaliler ise yapıları gereği reaktif silis ile reaksiyona girmemektedir. Dolayısı ile reaksiyonu artırıcı yönde bir etkisinin olmadığı değerlendirilmiştir. 5.6 Sülfata Dayanıklılık Deneyi Sonuçları Çalışmada üretilen harçlardan hazırlanan örnekler üzerinde ASTM C 1012 ye göre yapılan sülfata dayanıklılık deneyinde sülfat çözeltisinde (50 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşme değerleri Çizelge 5.8 de ve Şekil 5.8 de verilmiştir. Sonuçlar 4 örneğin ortalamasıdır. Çizelge 5.8. Sülfat çözeltisinde (50g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Genleşme, % Gün KH MK1 MK2 MK3 MK

95 63 Şekil Sülfat çözeltisinde (50g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri ASTM 1157 Standard Performance Specification for Hydraulic Cement standardında 6 aylık genleşme limiti, sülfata yüksek derecede dayanıklılık için %0.05, orta derecede dayanıklılık için %0.1 olarak verilmektedir. Şekil 5.11 deki sonuçlar incelendiğinde tüm harç serilerinde genleşmelerin oldukça düşük mertebelerde olduğu görülmektedir. MK oranına göre de önemli farklılıklar bulunmamaktadır. KH ve MK1 harçlarında diğer serilerden az da olsa daha yüksek genleşmeler meydana gelmiş 90 günden sonraki ölçümlerde genleşme oranları artmıştır. 180 gün sonunda tüm harç serilerinde genleşme değerleri standart limitin altında kalmıştır. Sürekli sülfat çözeltisinde (50 g/l) bekletilen harçlarda, 6 ay sonunda %15 MK içeren MK3 ve %20 MK içeren MK4 serilerinde genleşme değerleri sülfata yüksek derecede dayanıklılık için verilen %0.05 limitinin altında kalmıştır. MK3 ve MK4 harçlarının genleşmeleri 6 ay sonunda %0.04 seviyesinde ölçülmüştür. Benzer çalışmayı yapan Al-Akhras (2006), çimento yerine %5, %10 ve %15 oranlarında MK kullanarak 18 ay boyunca sülfata maruz bırakmıştır.18 ay sonunda %15 MK içeren örneklerde %0.10 genleşme ölçmüş ve çok iyi derecede

96 64 sülfat direnci gözlemlemiştir. 6. ay sonuçlarına göre ise bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar gibi yine %15 MK içeren örnekler en iyi sülfat direncini göstermişlerdir ve genleşmeleri %0.03 seviyesinde ölçülmüştür. Tosun vd., (2003) benzer çalışmayı uçucu kül kullanarak yapmış ve deneyler sonucu karışımların sülfat dayanıklılığı açısından anlamlı farklılıklar tespit edilemediğini belirtmiştir. Bunun üzerine Yazıcı (2006) ise yüksek fırın cürufu kullanarak yaptığı çalışmada ASTM C 1012 de belirtilen 50 g/l lik sodyum sülfat çözeltisi yerine 150 g/l lik sodyum sülfat çözeltisi kullanarak sülfat dayanıklılık deneyini yapmış ve anlamlı farklılar tespit etmiştir. Bu nedenle bu tez kapsamında MK katkılı harçların sülfat dayanıklılığı hem 50 g/l lik hem de 150 g/l lik sodyum sülfat çözeltisinde 6 ay süre ile bekletilmiştir. 150g/l' lik sodyum sülfat çözeltisinde bekletilen harç çubuklarının boylarında oluşan genleşme değerleri Çizelge 5.9 da ve Şekil 5.12 de verilmiştir. Ayrıca bağıl genleşme değerleri Şekil 5.13 de verilmiştir. Sonuçlar 4 örneğin ortalamasıdır. Çizelge 5.9. Sülfat çözeltisinde (150 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Genleşme, % Gün KH MK1 MK2 MK3 MK

97 65 Şekil Sülfat çözeltisinde (150 g/l) bekletilen numunelerin 180 günlük genleşmeleri Şekil Sülfat çözeltisinde (150 g/l )bekletilen numunelerin bağıl genleşme oranları Şekil 5.12 ve 5.13 teki sonuçlar incelendiğinde, %15 MK içeren MK3 ve %20 MK içeren harçların genleşme oranları 180 gün sonunda %0.09 seviyesinde olup KH harcına kıyasla genleşme oranlarını %56 düşürmüştür.

98 66 Genleşmeler KH ve MK1 harçlarında 120 günden sonra, %10 MK içeren MK2 harcında ise 150 günden sonra %0.01 i aşmıştır. 50 g/l Na 2 SO 4 çözeltisinde 6 ay sonunda %0.05 olan sülfata yüksek derecede dayanıklılık limitinin altında kalan MK3 ve MK4 harçları 150 g/l Na 2 SO 4 çözeltide bu değeri 56 günden sonra aştığı görülmektedir. %15 MK içeren MK3 harcının ve %20 MK içeren MK4 harcının 180 gün sonundaki genleşmeleri yaklaşık olarak %0.09 mertebesinde olduğundan, bu karışımların sülfat dayanıklılığının iyi olduğu ve diğer serilere göre daha geçirimsiz olduğu söylenebilir. Deneylerde kullanılan çimentonun C 3 A içeriğinin de % 9.82 olduğu göz önünde bulundurulursa MK kullanımı harçların sülfat dayanıklılığını artırmıştır. MK kullanılan harçlarda sülfat direncinin artmasının nedenleri olarak şunlar söylenebilir; 1. MK nın çimento ile yer değiştirmesi sonucu ortamdaki C 3 A miktarının azalmasıyla sülfatların C 3 A ile yaptıkları zararlı reaksiyonlar azalması, 2. MK katkısı ile harçların geçirimsizliğinin artması, 3. MK puzolanik reaksiyonlara bağlı olarak harçlardaki CH içeriğini azalması. (CH ile kimyasal reaksiyona girerek kalsiyum alüminat hidratları ve alümino silikat hidratları (C 2 ASH 8, C 3 AS 3 H 2x, C 4 AH 13, C 3 AH 6 ) formundaki ürünler oluşur.) Harç yapısını, agrega ile matris arasındaki geçiş ara yüzünü geliştirmesidir. 5.7 Su Emme Deneyi Sonuçları Tez kapsamında üretilen harçlardan hazırlanan 40x40x160 mm boyutlarındaki prizmatik örneklerin 28 günlük ağırlıkça toplam su emme oranları Şekil 5.14 de verilmiştir. Sonuçlar 3 örneğin ortalamasıdır.

99 67 Şekil Örneklerin ağırlıkça toplam su emme oranları Şekil 5.14 teki sonuçlara göre, kaynatılarak yapılan su emme deneyinin daha etkili olduğu görülmektedir ancak suda bekletilerek bulunan su emme oranları ile kaynatılarak bulunan su emme oranları arasında çok az farklar olduğu ve sonuçların orantılı olduğu anlaşılmaktadır. Ağırlıkça su emme oranları incelendiğinde MK3 serisinde oran %5.6 iken yalnız portland çimentosu içeren KH serisinde %7.8 olarak bulunmuştur. Karışımlarda %15 MK kullanımı yalnız portland çimentosu kullanımına göre toplam su emme oranını %28 oranında azaltmıştır. MK2 ve MK3 harçları ise KH harcına göre su emme oranını %15 oranında azaltmıştır. MK katkısı ile harçların geçirimsizliği artmış ve su emme özelliği azalmıştır. Benzer bir çalışmada Tosun vd., (2007) tarafından yapılan deneyler sonucunda bu tez kapsamında bulunan sonuçlar gibi %15 ve %20 MK içeren harç serilerinin en az su emme özelliği gösterdiği bulunmuştur. 5.8 Geçirgenlik Deneyi Sonuçları TS 3455 de verilen aşağıdaki bağıntıya göre üretilen 60 günlük 150 mm boyutlarındaki küp numunelerin geçirgenlik katsayıları hesaplanarak Çizelge 5.10 da verilmiştir. K 60 = (V S *L)/(t s *P*A)

100 68 Çizelge Örneklerin 60 günlük geçirgenlik katsayıları Harç Adı Geçirgenlik katsayısı, cm/s KH 2.59 x 10-9 MK x 10-9 MK x 10-9 MK x 10-9 MK x 10-9 Çizelge 5.10 da görüldüğü üzere geçirgenlik katsayısı %15 MK içeren MK3 harcında1.49x10-9 cm/s, yalnız portland çimentosu içeren KH harcında 2.59x10-9 cm/s bulunmuştur. Geçirgenlik katsayısı büyük olan harç tarafından emilen su miktarı daha fazladır. MK katkısının çimento yerine ağırlıkça %10-20 arasında kullanılmasının geçirgenliği düşürdüğü söylenebilir. Şekil 5.15 te geçirimlilik deneyleri sonuçlarına göre harç örneklerinin su emme miktarları verilmiştir. Şekil Emilen su miktarları Şekil 5.15 teki sonuçlara göre %15 MK içeren MK3 harcının emdiği toplam su miktarı KH harcının emdiği su miktarının %58 i kadardır. Geçirimliliği en yüksek olan harç serisinin MK içermeyen KH olduğu ve görülmektedir. %5 MK katkısının geçirimsizlik üzerinde pek etkisi olmadığı ve su emme miktarının KH harcına yakın olduğu görülmektedir. %10, %15 ve %20 MK katkısıyla