ÇİMENTO ESASLI ULTRA YÜKSEK DAYANIMLI KOMPOZİTLERDE BİLEŞİM PARAMETRELERİNİN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ

Transkript

1 ÇİMENTO ESASLI ULTRA YÜKSEK DAYANIMLI KOMPOZİTLERDE BİLEŞİM PARAMETRELERİNİN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ EFFECT OF COMPOSITION PARAMETERS ON THE COMPRESSIVE STRENGTH OF ULTRA HIGH STRENGTH CEMENT-BASED COMPOSITES Özet Çelik liflerle güçlendirilmiş, silis dumanı, süperakışkanlaştırıcı ve ince kum ile hazırlanan çimento esaslı karışımlar, çok düşük su/bağlayıcı oranı ve güçlü matris yapıları sayesinde yüksek dayanım-süneklik ve düşük porozite gibi gelişmiş fizikselmekanik özelikler göstermekte, bu anlamda dünya ölçeğinde çeşitli araştırmalara konu olmaktadırlar. Son yıllarda farklı kullanım alanlarına sıkça rastlanan (özellikle yağmur suyu ızgaraları, rögar kapakları v.b.) komposit malzemelerin geri dönüşüm özelliğinin olmaması, kullanılmasında cazibe merkezi olmasına neden olmuştur. Bu çalışmada çimento tipi, çelik lif miktarı, silis dumanı miktarı ve kür süresi değişken olarak seçilerek üretilen karışımların basınç dayanımları değerlendirilmiştir. Ayrıca daha önce yapılan çalışmalar çerçevesinde hazırlanan karışımlarla üretilen betonarme yağmur suyu ızgaralarının örnek bir uygulamasına yer verilmiştir. 1. GİRİŞ Yapı endüstrisinde, teknolojinin sürekli ilerlemesiyle birlikte farklı kullanım amaçlarına yönelik çeşitli malzemeler geliştirilmektedir. Özellikle son yıl içerisinde beton teknolojisinde yaşanan şaşırtıcı gelişmeler paralelinde, yüksek dayanımlı çimento matrisli kompozitler de üstün fiziksel ve mekanik özellikleri sebebiyle uygulamada kendilerine yer edinmişlerdir. Geleneksel betondan farklı olarak bu malzemelerde agrega maksimum dane büyüklüğü düşürülerek daha homojen bir yapı elde edilmekte, daha sık bir içyapı oluşturulmakta, ayrıca yüksek oranda su azaltıcı kimyasallar kullanılarak su/bağlayıcı oranı çok düşük seviyelere indirilebilmektedir. Çok yüksek dayanımlara ulaşan bu malzemelerin aşırı gevrek davranış göstermesi sebebiyle, bu sorunu gidermek için kısa kesilmiş çelik teller kullanılabilmektedir. Diğer bir deyişle liflerin kullanımı ile gevrek çimento esaslı malzemelerin sünek hale getirilmesi mümkün olmuştur [1].

2 Beton içerisinde kullanılmak üzere, çekme dayanımı MPa a kadar ulaşabilen çelik lifler üretilebilmektedir. Bu liflerin kullanılması durumunda yalın betonun dayanımı arttıkça, lif ile aderansı daha yüksek olacağından çatlak oluştuğunda liflerin betondan sıyrılmaları güçleşir ve sıyrılarak ayrılma yerine kopma ayrılması oluşur. Böylece, yüksek dayanımlı betonda, yüksek dayanımlı lifler kullanılması ile maksimum yük sonrasındaki davranış büyük ölçüde iyileştirilebilir [2]. Fakat bu liflerin belirli bir düzeyden büyük gerilme değerlerinde matristen sıyrılması, lifli betonun performansını olumsuz yönde etkileyebilir. Temel olarak, betonda kullanılan liflerden mikro lifler harç fazını, uzun çelik teller ise betonu iyileştirmektedir [1]. Çimento hamuru ve agrega taneleri arasındaki temas yüzeyi betonda en zayıf halkadır. Silis dumanı gibi ultra incelikteki tanelerin kullanımıyla çimento hamuru ile agrega arasındaki aderans artar. Boşluk doldurma etkisinin yanı sıra puzolanik reaksiyon sonucunda oluşan ilave bağlayıcı yapı sayesinde dayanım ve dayanıklılıkta artış sağlanır. Yakın zamandaki gelişmelere dayanarak mineral katkıların boşlukları doldurma etkisinin puzolanik etki kadar önemli olduğu veya bazı araştırmacılara göre boşlukları doldurma etkisinin puzolanik etkiden daha önemli olduğu sonucuna varılabilir [3,4,5]. Bir araştırmada çelik tel içeriğinin basınç dayanımına etkisinin belirgin olmadığı söylenmiştir. Basınç altında, çelik telin çapı ve muhtemelen beton içindeki yönü önemli rol oynayabilir. Diğer taraftan, çelik telin betona eklenmesinin basınç dayanımından çok basınç göçmesindeki sünekliğin artmasına etki edebileceği bildirilmektedir [6]. Yüksek dayanımlı lifli kompozitler üzerine yapılmış birçok araştırmaya karşın uygulamalar sınırlı kalmıştır. Laboratuvar ortamında yapılan çalışmaların uygulamaya transferi kolay olmamaktadır, çünkü mevcut teknoloji tüm uygulamalar için yeterli değildir. Yapılan araştırmalarda basınç dayanımı 3 MPa ı aşan betonların üretildiği bilinmektedir [7]. Ancak, özellik arz eden projeler haricinde 1 MPa ı aşan dayanıma sahip betonları sanayi ölçeğinde üretmek hem uygulanabilir hem de ekonomik değildir. Böylece çok yüksek dayanımlı betonlar yerine dayanımları bu değerlerin altında fakat daha düşük geçirimliliğe sahip, donma-çözülmeye ve zararlı ortamların etkisine dayanıklı betonları ülkenin önemli yapılarında kullanmak daha gerçekçi bir yaklaşım olacaktır [8]. Yüksek performanslı lif donatılı betonlar hem fiziksel hem de kimyasal etkilere karşı normal betonlara kıyasla daha iyi bir dayanıklılığa sahiptir. Bir çok uygulamada kullanılan yüksek performanslı lif donatılı betonların sünekliği ve dış etkilere dayanıklılığı mekanik dayanımdan daha önemli olduğu için tasarımda bu unsurlar öncelik taşıyabilir [1]. Ultra yüksek dayanımlı malzeme kullanılarak üretilen yağmur suyu ızgaraları ve bunun yanında şehir altyapısındaki bakım rögarı kapaklarının, genel anlamda tekrarlı olarak eğilme-kesme gibi mekanik etkilerin yanında aşınma, donma-çözülme, ıslanma-kuruma gibi çevresel etkilere maruz kalacağı düşünülmektedir. TS 1478 EN 124 nolu Taşıt ve Yaya Trafiğine Maruz Alanlardaki Izgara Takımları ve Bakım Rögarı Kapama Elemanları isimli standartta, yağmur suyu ızgarası ve bakım kapaklarının betonarme olarak da yapılabileceği öngörülmüş ve kullanılan betonun standart silindir basınç dayanımının 4 MPa ın altında olmaması gerektiği ifade edilmiştir. Bilindiği gibi yapı teknolojisinde betonarme olarak sınıflandırılan yapı elemanlarında basınç gerilmeleri beton tarafından, çekme-kayma gerilmeleri ise donatılar tarafından karşılanmaktadır. Yağmur suyu ızgaraları ve bakım kapaklarında, yoğun trafik yükü altında tekrarlı mekanik etkilerin donatı tarafından

3 karşılanacağı düşünülse bile; gerek yukarıda bahsedilen çevresel etkiler, gerekse donatının betonla olan aderansı değerlendirildiğinde, uzun dönemde (servis ömrü boyunca) basınç dayanımıyla ilgili yukarıda bahsedilen kriterin yeterli olmayacağı düşünülebilir. Diğer taraftan, sözü edilen mekanik etkilerin donatıyla karşılandığı düşünüldüğünde, asıl olarak basınç etkisine maruz kalmayan bu elemanlar için çok yüksek dayanımların ( MPa ve üstü) hedeflenmesi de, gerek üretim zorlukları, gerekse maliyetler dikkate alındığında iyi bir tercih olmayabilir. Bu çerçevede 3 farklı dayanım sınıfı (1, 15, MPa) hedeflenerek yağmur suyu ızgaralarının üretimi konusunda geniş bir araştırma programı hazırlandı. Program çerçevesinde her bir dayanım sınıfındaki beton ile betonarme yağmur suyu ızgaraları üretilmesi ve ilgili standart çerçevesinde yükleme deneyleri yapılması planlandı. Üretimin yapıldığı karışımlar için ayrıca eğilme ve gerekli dayanıklılık deneyleri de yapılarak, dayanımdayanıklılık-maliyet değerlendirilmesi yapılmak suretiyle en uygun malzemeye (dayanım seviyesi açısından) karar verilebilecek bilgiler elde edilmesi düşünüldü. Ancak sunulan bu çalışma kapsamında, program dahilinde hedeflenen 1 MPa dayanım için çeşitli değişkenler ele alınarak karışımlar oluşturuldu. Sadece basınç dayanımı açısından değerlendirme yapıldı.

4 2. DENEYSEL ÇALIŞMA 2.1. Malzemeler Kimyasal Katkı Çalışma kapsamında, polikarboksilik eter esaslı süperakışkanlaştırıcı kimyasal katkı ve priz hızlandırıcı katkı kullanıldı. Katkılara ait temel özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Kimyasal katkılara ait özellikler Kimyasal Katkı Cinsi Silis dumanı Çalışmada Antalya Eti Metalurji Ferrokrom tesisinden temin edilen silis dumanı kullanılmıştır. Malzemeye ait özellikler Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Silis dumanı özellikleri (%) Çimento Bursa Çimento A.Ş den temin edilen 42,5 ve (A-M) (P-L) 42,5 tipi çimentoya ait kimyasal ve fiziksel özellikler Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Çimentoların özellikleri Katı Madde ( % ) Yoğunluk ph Hiper Akışkanlaştırıcı 1,37 3,98 Priz Hızlandırıcı 4 1,3 8,6 Kimyasal Bileşim, kütlece % Bağıl Yoğunluk SiO 2 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 Na 2 O K 2 O Cr 2 O 3 86,2,52, ,43 1,99 2,21 1, Kimyasal Bileşim, kütlece % SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO SO 3 Na 2O K 2O S. CaO K.K. C3S C2S C3A C4AF 18,96 5,73 3,28 63,8,87 2,37,28,54 1,18 3,4 64,6 5,62 9,63 9, ,14 54,1 (A-M) (P-L) 23,98 6,48 3,5 56,23,95 2,59,49,77,96 4,26 43,2 5,4 7,94 7,9 43 3,4 51, Çelik tel Çalışmada kullanılan çelik tellerin kesit çapı,15 mm., boyu 6 mm. olup çekme dayanımı 2 MPa dır Agrega Silis kumuna ait özellikler Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4. Agrega özellikleri Tane Su emme Elekten geçen (%) yoğunluğu (%) 1,5,25,125 2,65, Basınç dayanı mı (MPa)

5 2.2. Yöntem Karışımların hazırlanmasında düşey eksenli beton mikseri kullanılmıştır. 55 devir/dk hızla dönen mikser Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1. Düşey eksenli mikser Şekil 2. Yayılma deneyi Agrega, çimento ve silis dumanı kuru olarak 1-15 s. karıştırıldıktan sonra karışıma su ilave edilmiştir. Yaklaşık 3 s. karıştırıldıktan sonra akışkanlaştırıcı katkı ilave edilmiş ve karışım kıvam kazanıncaya kadar (yaklaşık 5 dakika) karıştırılmıştır.priz hızlandırıcı katkı katılarak 2 dakika daha karıştırıldıktan sonra çelik teller ilave edilerek 3 dakika daha karıştırılmıştır. Toplam karıştırma süresi yaklaşık 1 dakikadır. Yüksek oranda bağlayıcı içeren karışımlar özellikle silis dumanının etkisiyle yapışkan özellik kazanmakta ve içlerindeki havayı dışarı atamamaktadırlar. Bu amaçla, karışımlar oluşturulurken üretim esnasında pratiklik sağlanması da dikkate alınarak, harç yayılma deneyinde kullanılan aparat ile sarsma uygulanmadan yapılan yayılma deneyinde ±1 cm yayılma hedeflenmiştir (Şekil 2). Basınç dayanımını belirleyebilmek amacıyla her bir karışım için 3 adet 1 mm ayrıtlı küp numune alınmıştır. Numuneler 24 saat kalıpta bekledikten sonra çıkarılmış, daha sonra 24 ve 72 saatlik buhar kürüne (95 o C) tabi tutulmuşlardır.deneysel çalışmada çimento tipi ( ve ), çelik tel hacmi (%, %1, %2, %3), toplam bağlayıcı miktarının % oranı olarak silis dumanı miktarı (%5, %1, %15, %) ve buhar kürü süresi (24 saat, 72 saat) değişken olarak seçilmiştir. ve çimentoları için aynı karışım oranları kullanılmıştır. Tüm karışımlarda toplam bağlayıcı 1 kg/m 3, su/bağlayıcı oranı ise katkılardaki su da dahil,18 olarak sabit tutulmuştur. Hazırlanan karışımlara ait malzeme oranları Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 5. Karışım bileşimleri (kg/m 3 ) Karışım Çimento Su Akışkanlaştırıcı Priz hızlandırıcı Silis kumu Silis dumanı Çelik tel no , , , , , , , , , , , , , ,18 S/b

6 , ,18 3. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1. Çelik tel oranının etkisi Yüksek dayanımlı lifli kompozitlerde çelik telin basınç dayanımına etkisinin belirgin olmadığı önceki bölümde belirtilmişti. Asıl olarak basınç ve eğilme gerilmeleri altında enerji yutma kapasitesi, diğer bir deyişle tokluk değerlerinde artış sağlayan çelik tellerin, karışım içerisindeki dağılımında meydana gelebilecek kusurlar (lif yönelimi, lif topaklanması gibi) nedeniyle basınç dayanımına olan etkileri değişkenlik gösterebilir. Şekil 3 de (a,b,c,d) sırasıyla %5, %1, %15 ve % silis dumanı içeriğine sahip, 24 saat buhar kürüne tabi tutulan karışımların basınç dayanımları verilmiştir. Şekil 3 a da görüldüğü gibi %5 silis dumanı içeren karışımlarda çelik tel miktarı arttığında gerek gerekse çimentolarıyla hazırlanan karışımların basınç dayanımında artış meydana gelmiştir. % 3 oranında çelik tel kullanıldığında çimentosunda bir miktar dayanım düşüşü gözlenmiştir. %1 silis dumanı kullanıldığında (Şekil 3 b) yine benzer bir eğilim gözlenmekte, çelik tel miktarının artmasıyla her iki çimentoda da dayanım artışı görülmektedir. Şekil 3 c ve d de silis dumanının %15 ve % olması durumunda, lif artışıyla çimentosunda dayanımda artış gözükmesine rağmen, çimentosunda kayda değer bir dayanım artışı olmadığı, ayrıca %3 lif içeriği haricinde tüm silis dumanı oranlarında çimentosunun daha yüksek dayanımlar verdiği görülmektedir. a b c d Şekil saat buhar kürü uygulanmış, a) %5, b) %1, c) %15, d) % silis dumanı içeren karışımların basınç dayanımları Şekil 4 de (a, b, c, d) sırasıyla %5, %1, %15 ve % silis dumanı içeriğine sahip, 72 saat buhar kürüne tabi tutulan karışımların basınç dayanımları verilmiştir.

7 a b Basınç Basınç dayanımı dayanımı (MPa) (MPa) I c d Şekil saat buhar kürü uygulanmış, a) %5, b) %1, c) %15, d) % silis dumanı içeren karışımların basınç dayanımları saatlik kür uygulaması sonucu elde edilen değerlere bakıldığında 24 saatlik kür uygulaması sonucunda ortaya çıkan sonuçlarla benzerlik olduğu görülmektedir. Lif artışıyla genel olarak tüm silis dumanı içeriklerinde çimentosunda dayanım artışı sağlanırken, çimentosunda özellikle % silis dumanı oranında kayda değer artış görülmemiştir. Yine %3 çelik tel oranı hariç çimentosunun daha iyi performans sergilediği görülmektedir. Ayrıca Şekil 4 deki dayanım değerleri dikkate alındığında 24 saatlik küre göre tüm karışımların dayanımında, beklendiği üzere bir miktar artış görülmüştür Silis dumanı miktarının etkisi Silis dumanı puzolanik reaksiyon neticesinde ilave bağlayıcı oluşmasını sağlamakta, ayrıca boşluk doldurma etkisi sayesinde yoğun içyapı oluşturarak beton özelliklerini iyileştirmektedir. Şekil 5 de (a, b, c, d) sırasıyla %, %1, %2 ve %3 oranında çelik tel içeriğine sahip, 24 saat buhar kürüne tabi tutulan karışımların basınç dayanımları verilmiştir. Şekil 5 te % ve %1 oranında çelik tel içeren karışımlarda çimentosu kullanılması durumunda silis dumanı miktarının artışıyla dayanımlarda düşüş gözlenmekte, %2 ve %3 lif içeriklerinde ise silis dumanı miktarının dayanımlarda kayda değer bir değişiklik oluşturmadığı görülmektedir. % ve %1 tel içeriklerinde herhangi bir silis dumanı oranında çimentosu çarpıcı şekilde daha iyi performans gösterirken, lif içeriği arttığında silis dumanına bağlı olarak ortaya çıkan dayanım değişimleri kaybolmaktadır. %2 ve %3 tel içeriklerinde her iki çimento da tüm silis dumanı oranlarında benzer dayanımlar gözlenmiştir. Ayrıca % ve %1 tel içeriklerinde silis dumanının %15 olması durumunda için dayanımlar en düşük seviyede ortaya çıkmıştır. %2 ve %3 tel içeriklerinde %15 ve % silis dumanı içeriklerinde her iki çimentoda biraz dayanım düşüşü gerçekleşmiştir. a b

8 c d Şekil saat buhar kürü uygulanmış, a)%, b)%1, c)%2, d)%3 çelik tel içeren karışımların basınç dayanımları a b c d Şekil saat buhar kürü uygulanmış, a)%, b)%1, c)%2, d)%3 çelik tel içeren karışımların basınç dayanımları Şekil 6 da 72 saat süreyle buhar kürü uygulanmış karışımlarda silis dumanı içeriğine bağlı olarak basınç dayanımının değişimi verilmiştir. Dayanımdaki değişimlerin 24 saat süreli kür uygulanan karışımlarla oldukça benzerlik gösterdiği karışımlarda, beklenildiği üzere kür süresinin artmasından dolayı dayanımlarda bir miktar artış gözlenmiştir. Üretimde kolaylık olması bakımından yüksek kıvamda üretilen karışımların standart harç yayılma deneyinde kullanılan aparatla sarsma uygulanmadan yapılan yayılma değerleri Şekil 7 de verilmiştir. Genel olarak, hedeflenmiş olan ±1 cm. lik yayılma deneyine ulaşılmıştır. Lifsiz karışımların yüksek silis dumanı içermesi durumunda ve ayrıca % 3 çelik tel kullanılan betonlarda yayılmalarda düşüş gözlenmiştir.

9 25 Yayılma (cm) Karışım no Şekil 7. Karışımlara ait yayılma değerleri Bu çalışma öncesinde yapılan çalışmalarda ince tel yanında makro çelik lifler de (boy:3 mm; çap,55 mm) kullanılarak karışımlar hazırlanmıştır. 72 saat süreli buhar kürü uygulaması neticesinde karışımların 1 cm ayrıtlı küp dayanımı ortalama 21 MPa bulunmuştur. Söz konusu malzemeyle üretilen betonarme yağmur suyu ızgaraları, bir fabrika sahasında yüksek tonajlı (7-8 ton) araçların geçiş güzergahındaki kanal üzerine yerleştirilmişlerdir (Şekil 8). Şekil 8. Üretilen yağmur suyu ızgarası ve uygulaması Üretilen yağmur suyu ızgarası üzerinde yapılan 2 noktalı eğilme deneyi sonucunda ortalama eğilme dayanımı 51 MPa bulunmuştur. 4 ay süresince uygulama yerinde bulunan elemanlarda herhangi bir deformasyon meydana gelmemiştir. Bu çalışmada, ilk bölümde anlatılan nedenlerden dolayı donatılı yağmur suyu ızgarası üretiminde dayanıklılık ve maliyet açısından değerlendirme yapılması amacıyla

10 optimum basınç dayanımlarının bulunması amaçlanmış, bu çerçevede ilk olarak dayanım üzerinde malzeme miktarları ve özelliklerinin ne derecede etkin olduğu sorusuna cevap aranmıştır. Çalışmanın bundan sonraki aşamalarında hedeflenmiş olan diğer dayanımlar (15, MPa) da dahil olmak üzere durabilite ve mekanik özelliklerin belirlenmesine yönelik araştırmalar gerçekleştirilecektir. Böylece donatı kullanılarak üretilen elemanlarda dayanım, dayanıklılık ve maliyet açısından en uygun basınç dayanımı belirlenmiş olacaktır. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada yüksek dayanımlı çimento esaslı kompozitlerin basınç dayanımının hangi parametrelerden ne şekilde etkilendiği araştırılmış ve genel olarak aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Tüm karışımlar dikkate alındığında 72 saatlik buhar kürü uygulamasında, 24 saatlik küre göre % 5-25 oranında dayanım artışı kaydedilmiştir. %2 çelik lif içeriğine kadar genelde her iki kür süresi ve tüm silis dumanı içerikleri için çimentosu çimentosuna göre daha iyi performans sergilemiştir. Bu durumun gerek çimentosunun inceliğinin daha fazla oluşu, gerekse le karşılaştırıldığında buhar kürü uygulaması neticesinde puzolanik reaksiyonların gerçekleşmesiyle ortaya çıkan ilave bağlayıcılık özelliğinden kaynaklandığı düşünülmektedir. %3 çelik tel içeren karışımlarda ise genel olarak çimentosu daha iyi performans göstermiştir. Genel olarak %2 lif içeren çimentosuyla hazırlanan karışımlarda tüm silis dumanı oranları için en yüksek dayanım gözlenmiştir. % ve %1 tel içeriklerinde silis dumanının %15 olması durumunda için dayanımlar en düşük seviyede ortaya çıkmıştır. çimentosunda ise böyle bir etki görülmemiştir. Ayrıca ve çimentoları için her iki kür süresinde de %2 ve %3 lif içeren karışımlarda, silis dumanı miktarına bağlı olarak ortaya çıkan değişkenlik % ve %1 lif içeren karışımlara göre daha azdır. Üretimde kolaylık sağlanması açısından, çalışmada elde edilen yayılma değerlerinin uygun olduğu düşünülmektedir. Bu çalışmada genel olarak çimentosunun çimentosuna göre daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Erken yaştaki dayanım dikkate alındığında geleneksel betonla eşdeğer sonuçlar veren katkılı çimentolar, buhar kürüne tabi tutulması durumunda yüksek dayanımlı kompozitlerde daha olumlu sonuçlar vermektedir. İncelenen parametrelere bağlı olarak basınç dayanımlarında bir miktar değişkenlik gözlenmekle birlikte, eğilme ve tokluk açısından değerlendirme yapılması durumunda özellikle lif miktarının etkisinin çok daha çarpıcı olduğu görülmüştür.