Ergin ARIOĞLU Emre ACAR Orhan MANZAK İ.T.Ü Maden Müh. Bölümü Yapı Maden A.Ş Yapı Merkezi Prefabrikasyon A.Ş

Transkript

1 KIRATAŞIN ÜHENDİSLİK BÜYÜKLÜKLERİNİN BETON KARIŞI TASARIINA ETKİLERİ EFFECTS OF ENGINEERING PROPERTIES OF CRUSHED COARSE AGGREGATE ON CONCRETE IX DESIGN Ergin ARIOĞLU Emre ACAR Orhan ANZAK İ.T.Ü aden üh. Bölümü Yapı aden A.Ş Yapı erkezi Prefabrikasyon A.Ş Adnan DONDURACI Yapı erkezi Prefabrikasyon A.Ş Canan GİRGİN Yapı erkezi İnşaat A.Ş ÖZET Bu alışmada kırmataşın mühendislik büyüklükleri olan, maks. agrega boyutu, ince agrega inceliği, agreganın sıkıştırılmış birim ağırlığı, kırmataş veya akıl agregasının beton karışımı üzerindeki etkileri belirli bir ayrıntı iinde ele alınmıştır. Tebliğin temel amacı, beton tasarımını üstlenen mühendise, kırmataş agregasının mühendislik büyüklüklerinin hangi yönde etkili olduğunun kantitatif şekilde belirlenmesi ve ekonomik karışım üretiminde etkili olan tüm parametrelerin arasındaki karmaşık ilişkilerin basit bir şekilde gösterilmesidir. ABSTRACT In this study, the effects of engineering properties of crushed coarse aggregate on concrete mix design was evaluated by several numerical examples in a considerable detail. oreover, this study presents a tool to provide for rational and economical mix method to the engineer involved in the design.

2 1. GİRİŞ Beton karışım tasarımının temel amacı verilen dayanım, işlenebilirlik ve dayanıklılık koşullarını sağlayan karışım bileşenlerinin (imento- - iri agrega - ince agrega) miktarlarının ekonomik şekilde belirlenmesidir. Beton teknolojisinin temel kilometre taşı olarak kabul edilen "Ferét kuralı"nın ileriye sürüldüğü yıldan (1892) bugüne değin beton karışım tasarımının rasyonelleştirilmesi konu, ok yoğun araştırmalara konu olmuştur. Beton karışımı daha yakından incelendiğinde iki ana kavram önem kazanmaktadır : miktarı Basın dayanımı = f ( α = ) imento miktarı İşlenebilirlik =f (ökme) Karışıma koyulacak miktarı ise, en genel anlamda istenen ökme değerinin ve iri agreganın maksimum boyutunun bir fonksiyonudur. Daha aık bir deyişle betonun temel karakteristik büyüklüğü olan "α=/imento" oranı, ökme, maks. agrega boyutu α = f ( imento miktarı şeklinde ifade edilebilir. Nitekim, normal beton dayanımında (f < 40 Pa ) maksimum agrega boyutu arttıka basın dayanımı da artar. Dayanımın artması (f > 40 Pa) durumunda maksimum agrega boyutu ile dayanım arasındaki ilişki tersine alışmakta, diğer kelimelerle iri agreganın maksimum boyutunun küülmesi ile beton basın dayanımının arttığı gözlenmektedir (Örneğin, yüksek dayanımlı betonlarda kullanılan iri agreganın maksimum boyutu 10 mm'nin altına inmiştir) Bu alışma erevesinde beton dayanımını (f < 40 Pa ) esas almak retiyle, sadece iri agreganın mühendislik büyüklüklerinin (maksimum dane boyutu, ince agrega incelik modülü, agreganın sıkıştırılmış birim ağırlığı, kırmataş veya akıl agregası kullanımı) beton karışım tasarımı üzerinde etkileri belirli bir ayrıntı iinde incelenmiştir. ) 2. AKSİU AGREGA BOYUTUNUN ETKİSİ aksimum agrega boyutu "D maks. " beton karışım tasarımının temel bir büyüklüğü olup, büyük ölüde karışım yu miktarını " " denetler. Çizelge-1'de = f (maksimum agrega boyutu) amprik bağıntıları topluca gösterilmiştir. Çizelge-1 ve Şekil-1 yakından incelendiğinde şu pratik sonular ön plana ıkmaktadır :

3 Verilen ökme değeri iin karışım yu, artan maksimum agrega boyutu ile azalmaktadır. Basın dayanımı = f ( α = miktarı imento ) kuralı gereğince de beton miktarı basın dayanımı artmaktadır. Burada tekrar vurgulanmalıdır ki, bu sonu sadece normal beton dayanım sınıfları iin geerlidir (Örneğin, yüksek imento dozajlarında ( kg/m 3 ) beton basın dayanımı artan maksimum iri agrega boyutu ile azalmaktadır.) Verilen maksimum iri agrega boyutunda, artan ökme ile karışım yu ihtiyacı artmaktadır. aksimum iri agrega boyutu arttıka, betonun plastik (ıslak) yoğunluğu " tb " artmaktadır. Islak yoğunluk = Çimento miktarı (kg/m 3 ) + miktarı (kg/m 3 ) + agrega miktarı (kg/m 3 ) olduğu dikkate alındığında, artan "D maks. " ile " " azalırken aynı /imento oranı iin imento miktarı artmakta, aynı (/imento) oranında ve ökme büyüklüğünde ise (agrega/imento) oranından agrega miktarı artmakta, sonuta ise taze (ıslak) betonun birim ağırlığı" tb " artmaktadır. Kısaca, dir. D maks. tb İngiltere'deki Bina Araştırma Kurumunun yayınladğı raporda karışım yu miktarı, ACI'deki gibi, agreganın maksimum boyutu ve ökme değeri baz alınarak verilmektedir (Çizelge-2, (BRE, 1988)). Farkedileceği gibi = f (, D maks. ) ilişkisinde verilen ökme değeri ve agrega türü iin, artan "D maks. " ile " " azalmaktadır. Ayrıca, değişmeyen agrega maks. boyutu ve ökme değerinde kırmataş, akıl kullanımına göre, yaklaşık 25 kg/m 3-40 kg/m 3 daha fazla gerektirmektedir.

4 Çizelge-1 Çeşitli = f (aksimum Agrega Boyutu) Ampirik Bağıntıları Kaynak Bağıntı Aıklamalar Jerath,Kabbani (1983) (ACI ) maks =, kg/m 3 D = Karışım yu miktarı, kg/m 3 = Çökme, mm D maks. =aks.agrega boyutu, mm Hava katkısız betonlar (15 Pa < f < 45 Pa) f = φ 150x300 mm silindir- 28 günlük dayanım 10 mm < D maks. < 150 mm Ganju (1996) = log D maks., kg/m 3 D maks, mm Taze beton birim ağırlığı,, kg/m tb Hava sürükleyici katkı katkı yok katkı var aksimum agrega boyutu, D, mm maks.

5 3 Karışım yu,, kg/m Dmaks. 40 mm 25 mm 20 mm 15 mm 12.5 mm 10 mm Çökme,, mm Şekil-1 Karışım yu miktarının ökme maksimum iri agrega boyutu D maks. ile değişimleri Çizelge-2 Beton karışımında kullanılacak yaklaşık miktarları, kg/m 3 Çökme değeri - mm aks. agrega boyutu (mm) 10 Agrega türü Kırmataş Çakıl Kırmataş Çakıl Kırmataş Çakıl Karışım yu miktarının " ", ökme " " ve maksimum iri agrega boyutu "D maks. " 'nın bir fonksiyonu olduğu gözönünde tutulursa, karışım bileşenlerinin en kritik büyüklüğü olan imento miktarı " ", α= / imento oranı cinsinden ifade edilebilir : Dayanım= f (α) α = -ağırlıka = f (, D maks. ) ilişkilerinden = f (α, D maks., )

6 ilintisi oluşturulabilir. Dikkat edileceği üzere imento dozajı " " α=/imento oranının, iri agrega boyutunun ve ökmenin bir fonksiyonudur. ACI 'de önerilen değerler esas alınarak yukarıda anılan ilinti nomogram düzeninde gösterilebilir. Hava sürükleyici katkısı koyulmamış beton karışımları iin geerli olan nomogram (Şekil-2) = f (, α), = f (, D maks. ) değişimlerinin bütünleştirilmesi yolu ile elde edilmiştir. Şekil-2 (Hover, 1995) kaynağından aynen alınmıştır. 3 Çimento dozajı,, kg/m α = 0.40 α= 0.45 α = 0.50 α = 0.55 α = 0.60 α = 0.65 α= 0.70 Çökme miktarı,, mm Karışım yu miktarı,, kg/m3 50 mm D maks. 38 mm 25 mm 19 mm Karışım yu miktarı,, kg/m3 13 mm 10 mm Şekil-2 Çimento dozajının ökme, maksimum iri agrega boyutu, miktarı ve /imento oranı değişimlerinin kestirilmesi Şekil-2 nin bir sayısal değerlendirilmesinin burada verilmesi yararlı olacaktır. Proje dayanımı (28 günlük) f p = 30 Pa- φ 150x300 mm Pompalanabilir beton karışımı = 100 mm (Arıoğlu, 1977) aksimum iri agrega boyutu D maks. = 10 mm

7 Hedef dayanım f h = f p + t S = x Pa Su/imento oranının belirlenmesi f h =, Pa α α = = t= İstatistiksel bir faktör, % 5 riskle üretim iin t=1.64 S= Standart sapma S=3.0 Pa kabul edilmiştir. Çimento dozajının " " kestirilmesi Şekil-2 yardımıyla verilen = 100 mm ve D maks. = 10 mm değerlerinden sırası ile 230 kg/m 3 ve 485 kg/m 3 olarak elde edilir ( = 100 mm ve kırmataş D maks. = 10 mm iin Çizelge-2 den =250 kg/m 3 okunmaktadır. Yaklaşımlar arasındaki %10 u gemeyen sapmalar rahatlıkla kabul edilebilir). Nomogramın alıştırılma şekli kesikli izgiler ile Şekil-2 üzerinde gösterilmiştir. Aynı şekilden iri agrega boyutunun D maks. =19 mm ye yükseltilmesi durumunda imento dozajı yönünden daha ekonomik bir karışım üretilebileceği aıka görülmektedir. Şöyle ki ; = 100 mm ve D maks. = 19 mm iin 205 kg/m 3 bulunur. Aynı dayanım düzeyi f h = 35 Pa iin α=0.471 den imento dozajı (Şekil-2) den veya 205 = = 435 kg/m 3 α = dir. Geerken bir noktanın altının izilmesi büyük bir öneme sahiptir. Ekonomik karışım koşulunu denetleyen bir parametre de üretimin kalite kontrol düzeyini ifade eden standart sapma değeridir. Bu değerin azalması sonucunda, S f h α trendi gerekleştirilecektir. Çimento dozajının azalması mikro ölekte karışım ekonomisi sağlarken, ulusal ekonomi öleğinde irdelendiğinde daha az elektrik enerjisi tüketimi demektir.

8 3. KUUN İNCELİK ODÜLÜ-İRİ AGREGANINI SIKIŞTIRILIŞ BİRİ AĞIRLIK DEĞERLERİNİN ETKİLERİ Verilen iri agrega boyutunda kumun incelik modülü, iri agreganın hacmini denetleyen büyüklüktür. ACI Standardında önerilen büyüklüklerin oklu regresyon analiziyle değerlendirilmesi sonucunda birim beton hacmindeki iri (kaba) agreganın hacmi V k, D maks. i ) V k =, (m 3 /m 3 ) (m ile ifade edilebilmektedir. Kaba agreganın ağırlığı a,k ise, a,k = (m ) i D 0. 2 maks. k,s (kg/m 3 ) Burada m i = İnce agreganın (kum) incelik modülü D maks. = Kaba agreganın maksimum boyutu (mm) k,s = Kaba agreganın sıkıştırılmış birim ağırlığı-kuru halde (kg/m 3 ). Yapı aden Ocağı kırmataş agregaları iin yapılan regresyon analizinde kaba agreganın gevşek birim ağırlığından " k, g " yararlanarak, sıkı birim ağırlık " k, s " k,s = k, g (t/m 3 ) bağıntısı ile tanımlanmıştır (anzak, Dondurmacı, Köylüoğlu, Arıoğlu, 1996). Eğer kaba agreganın ağırlığı doygun kuru yüzey (DKY) koşulu iin ifade edilmek isteniyorsa, kaba agrega ağırlığı " a,k " iri agreganın emme kapasitesi (ağırlıka) ile arpılmalıdır. Kaba agreganın ağırlığını ifade eden bağıntının değerlendirilmesi (Şekil- 3) sonucunda şu pratik bulgular elde edilir : Verilen iri agrega boyutunda "D maks. ", artan ince agrega incelik modülü başka bir deyişle, daha iri gradasyonlu kumun kullanılması ile birim beton hacmi iin iri agrega ağırlığı azalmaktadır. Verilen bir ince agrega incelik modülünde ise, artan iri agrega boyutu ile iri agrega ağırlığı belirgin ölüde artmaktadır. Örneğin, m i =2.80 iin D maks. =10 mm de iri agreganın hacmi 0.51 m 3 /m 3, D maks. =20 mm de ise aynı büyüklük 0.60 m 3 /m 3 olmaktadır. Ağırlık cinsinden ifade edilmek istenirse, örneğin k, s =1745 kg/m 3 değeri iin sözü edilen büyüklükler sırası ile a,k = 890 kg/m 3 ve a,k = 1047 kg/m 3 olarak bulunur.

9 0.80 İri agrega hacmi, V, m 3 /m k mm 25 mm 20 mm 12.5 mm 10 mm İncelik modülü, m i D maks. Şekil-3 İri agrega hacminin "V k " ince agreganın incelik modülüne "m i " göre değişimi İri (kaba) agreganın belirlenmesi durumunda, karışımda kullanılacak ince agrega miktarı " a,i " aşağıdaki genel bağıntıdan hesaplanabilir : 1m 3 = + + a,k k + a,i i + V a,i = [ a,k ] (kg/m 3 ) = α a,i = olduğu hatırlanırsa a,k (kg/m 3 ) α Bu bağıntıda = Çimentonun yoğunluğu, =3150 kg/m 3, = Suyun yoğunluğu, =1000 kg/m 3, k = İri (kaba) agreganın yoğunluğu, k = 2700 kg/m 3, i = İnce agreganın yoğunluğu, i = 2650 kg/m 3 V h = Hava ieriği, V h 0.02 m 3 /m 3 kabul edilmiştir. Geerken V h = f (D maks. ) ilintisi gereğince hava ieriği maksimum iri agrega boyutuna bağlı olup, artan "D maks. " değeri ile hava ieriği azalmaktadır. Uygulamada yaygın kullanılan D maks. = 20 mm değeri iin V h = % 2 alınabilir (Hover, 1995). h

10 Yukarıda ıkartılan ifade karışım tasarımı amacıyla kullanılabilir. Diğer bağıntılar da dikkate alınarak beton karışım tasarımının aşamaları algoritma düzeninde şu şekilde oluşturulabilir : D maks.,, f h, i ve k, s belirli olduğuna göre, D maks., bulunur f h α = belirlenir. hesaplanır. m i, k, s a,k bulunur 1m 3 = + + a,k k + a,i ifadesinden a,i hesaplanır. i + V h Toplam agreganın ( a = a,i + a,k ) imento dozajına " " oranı, beton karışım tasarımında kullanılan diğer bir karakteristik büyüklüktür. Bu oranın a β = beton karışım tasarımına etkisi Şekil-4 de şematik olarak gösterilmiştir (Değiştirilerek onteiro,helene, 1994). Örneğin, verilen f h, t, α, değerlerinde Şekil-4 den belirli bir Agrega miktarı β = ve " " büyüklükleri elde edilmektedir. Eğer sadece " " değeri Çimento dozajı değiştirilmek isteniyorsa β = a nin değiştirilmesi gerekmektedir. Örneğin, ökmenin arttırılması arzu ediliyorsaβ 1 büyüklüğü azaltılmaktadır. Bu durumda imento "dozajının arttırılması gerekeceği keza Şekil-4 den anlaşılmaktadır.

11 Dayanım f = A e -B log α veya f = Aα -B, f = A B α 5 t > t > t 3 2 1,1 t t t α = / - ağırlıka β = A α- B 0 0 β 1 = veya 1000 A + β B = Aβ B B < 1 β = a a 1 2 Şekil-4 Beton karışım tasarımında temel büyüklüklerin (f, t, α,, ) karşılıklı etkileşimleri ( 2 > 1, a süperakışkanlaştırıcı ilave edilmiş karışım, t= kür süresi) Bu alışma rejimi karışım ekonomisi yönünden elverişli bir özüm üretmeyebilir. Aynı dayanım ve /imento oranlarında süperakışkanlaştırıcı kullanmak yolu ile β değeri arttırılabilir. Diğer bir anlatımla daha az imento tüketimi ile artan ökme isteği gerekleştirilebilir. Toplam agrega miktarı sıkıştırılmış beton karışımının ıslak (plastik) yoğunluğunun bilinmesi durumunda şöyle belirlenebilir : tb a = + + tb a [ ] = + tb = f (, a ) (Şekil-5, BRE 1988)

12 " " ve agrega karışımının yoğunluğu " a " bilindiğine göre Şekil-5 yardımıyla sıkıştırılmış beton karışımının ıslak yoğunluğu " tb " kolayca belirlenir ve toplam agrega miktarı " a ", karışım tasarımının daha önceki aşamalarında bilinen ve büyüklükleri dikkate alınarak yukarıda verilen formülden hesaplanabilir. İnce agreganın agrega karışımı iindeki a yüzdesi (ağırlıka) ise Şekil-6 dan (BRE 1988) verilen ökme, α= /imento oranı ve ince agreganın 600 µm elekten geen miktarı iin kestirilebilir. İri agreganın toplam agrega iindeki karışım yüzdesi (ağırlıka) "b" ise (100-a) dan elde edilir. Şekil-5 ve 6 birlikte ele alındığında şu pratik sonular göze arpmaktadır : Verilen bir karışım yu miktarında daha aık bir deyişle maksimum agrega apında, agrega yoğunluğunun artımıyla sıkıştırılmış betonun ıslak yoğunluğu belirgin ölüde artmaktadır. Verilen agrega yoğunluğunda ise artan miktarı, diğer bir anlatımla artan ökme ve azalan maksimum agrega boyutu ile sıkıştırılmış beton karışımının yoğunluğu azalmaktadır. İnce agrega karışım yüzdesi hassas biimde maks. agrega boyutu, ökme, /imento oranı ve ince agreganın 600 µm elekten geen yüzdesinin fonksiyonudur. Verilen ökme ve 600 µm den geen ince agrega miktarında, ince agreganın karışım iindeki yüzdesi artan /imento oranı ile artmaktadır. Sabit /imento oranı ve 600 µm den geen ince agrega miktarı iin, artan ökme ile birlikte ince agreganın karışım yüzdesi de artmaktadır. Şekil-5 in kullanımı iin bir örnek vermek gerekirse D maks. = 20 mm, ökme = 100 mm ve agrega karışımının yoğunluğu a 2680 kg/m 3 oln. Karışım yu miktarı (Çizelge-1), (100) = = 202 kg/m (20) Beton karışımının sıkıştırılmış ıslak yoğunluğu (Şekil-5) bulunur. = 202 kg/m 3 ve a 2680 kg/m 3 iin tb 2420 kg/m 3 İlk yaklaşım olarak α= 0.5 kabul edilirse imento miktarı " ", 202 = = 404 kg/m 3 α 0.5 =

13 İnce agrega karışım yüzdesi (%) olarak hesaplanır. Verilen D maks. ve değerleri iin aynı sonu Şekil-2 den de grafik olarak elde edilebilmektedir. Agrega miktarı olarak hesaplanır. = ( + ) = 2420 ( ) 1814 kg/m 3 a a = Şekil-5 Karışım yu miktarı ve agrega karışımının yoğunluğuna bağlı olarak taze beton birim ağırlık değişimleri(agrega yoğunluğu doygun kuru yüzey-dky bazındadır) Taze beton birim ağırlığı,, kg/m tb Çökme : 0-10 mm Vebe süresi : > 12 sn Su miktarı,, kg/m mm > 6-12 sn α = Su / imento oranı- ağırlıka Şekil-6 İnce agrega karışım yüzdesinin-ağırlıka- ökme, α= /imento oranı ve 600 µm elekten geen yüzdesine göre belirlenmesi (D maks. =20 mm) kırmataş akıl mm 3-6 sn DKY yoğ mm 0-3 sn

14 Şekil-6 yardımıyla, =100 mm, α= 0.5 ve 600 µm den geen ince agrega miktarı % 40 değerleri iin ince agrega yüzdesi a = % 45 olarak belirlenir. Buna göre karışım tasarımında kullanılacak agrega miktarları : o İnce agrega 0.45x1814 = 816 kg/m 3 o Kaba agrega 0.55x kg/m 3 'dir. Agrega miktarı 1814 Bu ön yaklaşıma göre β = = 4. 5 Çimento dozajı 404 hesaplanır. Sonular İri agreganın mühendislik özelliklerinin (maks. agrega boyutu, ince agreganın inceliği, agreganın sıkıştırılmış birim ağırlığı, kırmataş veya akıl agregası kullanımı) karışım tasarımı üzerindeki etkilerini inceleyen ve rasyonel karışım tasarımına yönelik olarak yapılan değerlendirmeleri ieren bu alışmadan ıkartılan ana sonular aşağıda verilmiştir : Karışım tasarımının önemli büyüklüğü olan karışım yu gereksinmesi hassas bir şekilde karışımın ökme miktarının yanısıra agreganın maks. boyutu ile ilintilidir (Çizelge-1), (Şekil-1,2). Karışıma konulacak iri agrega miktarı keza, agreganın maks. boyutu ve ince agreganın incelik modülü ile denetlenmektedir (Şekil-3). Karışım tasarımında klasik yollarla belirlenen karışım miktarlarının kontrolunda kullanılabilecek diğer ölülebilir büyüklük ise karışımın sıkıştırılmış ıslak yoğunluğudur. Bu büyüklük de karışım yu miktarı ile karışım agregasının yoğunluğu ile değişmektedir. Su miktarının da maks. agrega apı ile değiştiği dikkate alındığında anılan büyüklüğün hassas bir biimde agreganın temel fiziksel büyüklüklerine bağlı olduğu anlaşılmaktadır (Şekil-5,6). Beton karışımının ekonomikliğini kontrol eden toplam agrega/imento oranı büyüklüğü tasarım şablonunda mutlaka dayanım=f(α=/imento)-ağırlıka ile bütünleştirilmelidir (Şekil-4).

15 TEŞEKKÜR Yazarlar, bilimsel alışmaların yapılmasını ve yayınlanmasını teşvik eden Yapı erkezi Holding A.Ş Yönetim Kurulu Başkanı Dr. üh. Ersin ARIOĞLU 'na teşeekür ederler. Ayrıca yazarlar Prefabrikasyon A.Ş Genel üdürü Sayın Y.üh. Cezmi OVACIK ve urahhas Aza Sayın Y.üh.Ülkü ARIOĞLU'na ilgisinden dolayı teşekkür ederler. KAYNAKLAR Arıoğlu, E. "Yeraltında Pompalanabilir Beton Karışımının Tasarım Esasları" Türkye adencilik Bilimsel ve Teknik 5. Kongresi, aden ühendisleri Odası, Ankara, BRE "Design of Normal Concrete ixes" Dept. of the Environment Building Research Establishment, England, Ganju, T.N. "Spreadsheeting ix Designs" Concrete International, December 1996, pp Hover, K "Graphical Approach to ixture Proportioning by ACI ", Concrete International, September, 1995, pp Jerath, V., Kabbani,S. Computer-Aided Concrete ix Proportioning" ACI Journal, July-August, No.4, 1983, pp anzak, O., Dondurmacı, A., Köylüoğlu, Ö.S, Arıoğlu, E. "Yapı erkezi Prefabrikasyon A.Ş' de Beton Agrega Kalite Denetimi ve Değerlendirmesi" 1.Ulusal Kırmataş Sempozyumu, 1996, İstanbul, pp onteiro, Helene "Designing Concrete ixtures for Desired echanical Properties and Durability", edited by Kumar,, ACI Symposium Proc. of Concrete Technology Past, Present and Future, Detroit,1994, pp