Doç. Dr. Halit YAZICI

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü ÖZEL BETONLAR YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR-3 Doç. Dr. Halit YAZICI

2 YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR LİFLİ BETONLAR LİF DONATILI KENDİLİĞİNDEN YERLE EN BETONLAR ÇİMENTO BULAMACI EMDİRİLMİ LİFLİ BETON (SIFCON) REAKTİF PUDRA BETONLARI (RPC) ECC

3 UCUCU KÜLÜN OTOKLAV KÜRLÜ SIFCON UN MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ DENEYSEL ÇALI MA - KULLANILAN MALZEMELER ÇİMENTO- CEM I-42.5 N SİLİKA DUMANI UÇUCU KÜL (C-SINIFI, SOMA) AGREGALAR 0-1 mm BAZALT 0-1 mm KUVARTZ mm KUVARTZ YENİ NESİL HİPERAKI KANLA TIRICI l/d=55 Uzunluk l=30mm Akma gerilmesi (MPa) Akma birim def. (%) Maks. gerilme (MPa) Maks. birim def. (%) Çap d=0,55mm 719,1 1,4 1146,5 4,5 Kopma gerilmesi (MPa) Kopma birim def. (%) 1048,1 4,7

4 Kimyasal Analiz (%) Çimentonun Fiziksel Özellikleri Çimento UK SD Özgül Ağırlık 3.13 SiO Priz başlangıcı (dak.) 130 Al 2 O Priz Sonu (dak.) 210 Fe 2 O Hacim genleşmesi 1.00 CaO Özgül Yüzey MgO Çim. (m 2 /kg) Blaine 380 Na 2 O UK (m 2 /kg) Blaine 290 K 2 O SD (m 2 /kg) Nitr. Ab SO Çimento Basınç Dayanımı (MPa) Cl gün 29.9 Kızdırma kaybı gün 43.2 Çözünmeyen Kalıntı gün 51.9 Serbest CaO (%) Puzolanik aktivite indeksi (%) UK (28 gün), ASTM C SD (28 gün), ASTM C

5 ĐNCELENEN PARAMETRELER SIFCON LĐF HACMĐ 0, %2, %6, %10 ÇĐMENTOLU BULAMAÇTAKĐ UÇUCU KÜL ORANI 0, %20, %40, %60 (ÇĐMENTO AĞIRLIĞINCA, ĐKAME)

6 ÇĐMENTOLU BULAMACIN KARIŞIM ORANLARI Bileşen UK0 UK20 UK40 UK60 Uçucu kül (%) Çimento (kg/m 3 ) Uçucu Kül (kg/m 3 ) Silika Tozu (kg/m 3 ) Su (kg/m 3 ) mm Bazalt (kg/m 3 ) mm Kuvars (kg/m 3 ) µm Kuvars (kg/m 3 ) Süper akışkanlaştırıcı (L/m 3 ) Su/Çimento Su/Bağlayıcı Agrega/Bağlayıcı Mini-Slump (mm)

7 BASINÇ DENEYĐ:71 mm ayrıtlı küp numuneler-deney döküm yönünde (liflere dik doğrultuda) yapılmıştır. EĞĐLME DENEYĐ:25x60x305 mm plak numuneler %10 lif içeren karışımlara vibrasyon uygulanmıştır.

8 OTOKLAV KÜRÜ (YÜKSEK BASINÇ ALTINDA KÜR) 12 SAAT SONRA KALIPTAN SÖKÜLEN NUMUNELER OTOKLAV KÜRÜNE MARUZ BIRAKILMIŞTIR. OTOKLAV KÜRÜ 2 MPa (210 C ) 6 SAAT EĞĐLME VE BASINÇ DENEYLERĐ 2. GÜNDE YAPILMIŞTIR.

9 EĞĐLME DENEYĐ ÖLÇÜM SĐSTEMĐ Yükleme hızı=2 kgf/sn

10 UK0 SERĐSĐNDE LĐF HACMĐNE BAĞLI OLARAK YÜK-SEHĐM ĐLĐŞKĐSĐ Yük, N % lif 2% lif 6% lif 10% lif Orta nokta dep., mm

11 UK60 SERĐSĐNDE LĐF HACMĐNE BAĞLI OLARAK YÜK-SEHĐM ĐLĐŞKĐSĐ Yük, N Yük, N Orta nokta dep., mm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Orta nokta dep., mm 0% lif 2% lif 6% lif 10% lif

12 UK ĐÇERĐĞĐNĐN VE LĐF HACMĐNĐN EĞĐLME DAYANIMI ÜZERĐNDEKĐ ETKĐSĐ 60 %0 lif %2 lif %6 lif %10 lif Eğ ilm e d ayan ım ı, M Pa UK, %

13 UK ĐÇERĐĞĐNĐN VE LĐF HACMĐNĐN TOKLUK ÜZERĐNDEKĐ ETKĐSĐ To klu k, N m m UK0 UK20 UK40 UK Lif, %

14 UK ĐÇERĐĞĐ VE LĐF HACMĐNE BAĞLI OLARAK TOKLUKTAKĐ ARTIŞ Tok luk ta k i a rtış (k a t) %2 lif %6 lif %10 lif UK0 UK20 UK40 UK60 Kompozit 455

15 UK VE LĐF ĐÇERĐĞĐNĐN BASINÇ DAYANIMI ÜZERĐNDEKĐ ETKĐSĐ 160 %0 lif %2 lif %6 lif %10 lif 140 B asın ç dayan ım ı, MPa UK, %

16 OTOKLAV KÜRÜNDE SİLİKA VARLIĞI YÜKSEK DAYANIM İÇİN GEREKLİDİR! ÇALI MADAN GÖRÜLDÜĞÜ GİBİ KARI IMLARDA HEM SİLİKA DUMANI HEM DE UÇUCU KÜL KULLANILMI TIR SİLİKANIN UYGUN FORMLARI OTOKLAV KÜRÜNDE YÜKSEK DAYANIM İÇİN GEREKLİDİR

17 Component FA0 FA20 FA40 FA60 Fly ash (%) Cement (kg/m 3 ) Fly ash (kg/m 3 ) Water (kg/m 3 ) µm Limestone fine (kg/m 3 ) Superplasticizer (L/m 3 ) Water/Cement Water/Binder Aggregate/Binder

18 LİFLERE DİK VE PARALEL DOĞRULTULARDA BASINÇ DENEYİ

19

20 BULAMACIN REOLOJİK ÖZELLİKLERİ FA0 FA20 FA40 FA60 SP dosage (%) Spread t 20 (sec) Spread t 30 (sec) Final spread (mm) V-funnel time (sec) J-pen. depth (mm) full full full full

21 LİFSİZ BULAMACIN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Compressive strength Flexural strength Compressive strength (MPa) Flexural strength (MPa) FA replacement (%) 0

22 SIFCON UN LİFLERE DİK VE PARALEL DOĞRULTULARDA MEKANİK ÖZELLİKLERİ 120 Compressive strength - perpendicular to fibers Compressive strength - parallel to fibers Splitting tensile strength - perpendicular to fibers Splitting tensile strength - parallel to fibers 30.0 Compressive strength (MPa) Splitting tensile strength (MPa) FA replacement (%)

23 ANİZOTROPİ MATRİS DAYANIMI ARTTIKÇA AZALIYOR! 4.20 Perpendicular / parallel strength ratio Compressive strength Splitting tensile strength FA replacement ratio (%)

24 Load (N) FA60 FA40 FA20 FA Displacement (mm)

25 SIFCON UN EĞİLME DAYANIMI VE TOKLUĞU Flexural strength Toughness Flexural strength (MPa) Toughness (N.mm) FA replacement (%)

26 40 Specimen 2 Flexural Stress [MPa] plain slurry Specimen 1 Specimen 3 SIFCON V f =14% Deflection [mm]

27 midspan deflection: 0 mm

28 midspan deflection: 14.0 mm Strain Localisation

29 RPC RPC (REACTIVE POWDER CONCRETE) REAKTİF PUDRA BETONU ileri mekanik özelliklere üstün fiziksel karakteristiklere mükemmel sünekliğe çok düşük geçirimliliğe sahip ultra yüksek dayanımlı çimento esaslı kompozit bir malzemedir. Reaktif pudra betonuyla ile ilgili ilk çalışmalar Richard ve Cheyrezy (1995) tarafından yapılmıştır. Bu çalışmalarda betonların tasarımı yapılmış ve üretimi ile mekanik özellikleri açıklanmıştır. Yapılan çalışmalarda RPC 200 ve RPC 800 olmak üzere esasta aynı fakat üretiminde ve ısıl işlemlerinde bazı farklılıklar bulunan iki değişik malzeme üretilmiştir.

30 Reaktif pudra betonu (RPC) olarak da bilinen ultra yüksek y dayanıml mlı betonlar bağlay layıcı malzemenin mikroyapısının iyileştirilmesi ile elde edilebilmektedir. Ultra yüksek dayanım m ve yüksek y düktilite özelliklerine sahip olan bu beton 1990 lı yıllarda Fransa daki Bouygues laboratuvarlarında geliştirilmi tirilmiştir. tir.

31

32 Normal çimento esaslı malzemelerle kıyaslandk yaslandığında RPC deki gelişmenin en önemlisi yapıdaki parçac acıkların boyutlarının n homojenliği, i, porozitenin azaltılmas lması ve dolayısıyla yla mikro-yap yapının n geliştirilmesidir. Reaktif pudra betonu dizaynında nda temel yaklaşı şımlar iri agreganın sistemden çıkarılması,, su/bağlay layıcı oranının n azaltılmas lması, silikalı bileşenler enler kullanılarak larak CaO/SiO2 oranının düşürülmesi, yüksek y dayanıml mlı hidratları üretebilmek amacıyla Portland çimentosunun kimyasal yapısının optimizasyonu ve gevrek özelliğin in engellenmesi amacıyla çelik lif kullanılmas lması olarak sıralanabilir. s

33 REAKTİF PUDRA BETONUNUN KOMPOZİSYONUNDA TEMEL İLKELER İri agreganın elimine edilerek homojenliğin arttırılması Granüler karışımı optimize edip, priz öncesinde ve priz sırasında basınç uygulayarak sıkışık yoğunluğun arttırılması Priz sonrasında ısıl işlem uygulayarak mikroyapının güçlendirilmesi, Karışımda kısa çelik lifler kullanılarak düktilitenin arttırılması, Karıştırma ve yerleştirme işlemlerinin mümkün olduğunca pratiğe uygun olması. İri agreganın sistemden kaldırılması, bağlayıcı hamurun mekanik özelliklerinin arttırılması ve agrega/hamur oranının azaltılması ile RPC karışımlarının homojenlik problemleri azaltılmış olmaktadır.

34 RICHARD ve CHEYREZY NİN TANITTIĞI RPC200 VE RPC800 ÜN ÖZELLİKLERİ Özellik Priz sırasında sıkıştırma Isıl işlem ( º C) Basınç Dayanımı (MPa) - kuvars agregalı Basınç Dayanımı (MPa) - çelik agregalı Eğilme Dayanımı (MPa) Kırılma Enerjisi (J/m 2 ) Young Modülü (GPa) RPC 200 Yok RPC MPa

35 RPC NİN ÖNEMLİ AVANTAJLARI * YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLARA İYİ BİR ALTERNATİFTİR. * YAPISAL OLARAK ÇELİKLE YARI ABİLECEK MEKANİK POTANSİYELE SAHİPTİR. * YÜKSEK DAYANIMI VE YÜKSEK MEKANİK ÖZELLİKLERİ NEDENİYLE KESİTLERDE BÜYÜK ORANDA AZALTMA SAĞLAR MOMENT TA IMA KAPASİTESİ 67.5 tm

36 Bu şekilde ulaşı şılan mekanik özelliklerden basınç dayanımı MPa,, kırılma k enerjisi J/m2 arasında değerler erler alırken, nihai çekme birim deformasyonu %1 mertebelerine kadar çıkartılabilir (Feylessoufi( vd., 2001). ekil 5 de görüldg ldüğü gibi, ince liflerinde kullanımı ile 50 MPa kadar olağan anüstü eğilme dayanımlar mları elde edilebilir. Yüksek Y oranda enerji yutabilmesi ile düktilite açısından metallere yakın n değerler erler göstermektedir

37 YÜKSEK ENERJİ YUTMA KAPASİTESİİLE ÖZELLİKLE SİSMİK PERFORMANSTA ARTI SAĞLAR

38 Lif donatılı Normal harç Sehim (Mikron) Kırılma enerjisi RPB için 1250 µm'ye kadar sehimde J/m2 dir. Bu değer normal harç için ise toplam 110 J/m2'dir. Böylece, reaktif pudra betonunun kırılma enerjisinin normal harcınkinin yaklaşık 300 katı kadar olduğu sonucuna varılabilir (Taşdemir vd. 2005)

39 Kırılma Enerjisi J/m2 Eğilme dayanımı (MPa)

40 Düşük ve birbirine bağlı olmayan kılcal boşlukları, bünyedesi serbest kirecin silis dumanı ile reaksiyona girerek ikincil hidratasyonda güçlü C-S-H yapı oluşturması porozite yapısını önemli oranda geliştirir. Bu nedenle durabilitesi yüksek bir malzemedir.

41 Mekanik Özelikler NDB YDB RPB Basınç dayanımı (MPa) Elastisite modülü (GPa) Eğilme dayanımı (MPa) Kırılma enerjisi (J/m 2 )

42 RPC İLE ÜRETİLMİ KÖPRÜ Sherbrooke Köprüsü, Quebec, Canada- Yapım Aşaması Ve Son Hali

43 İTÜ İSTON İ BİRLİĞİ İLE GELİ TİRİLMİ RPC

44 Çimento hamuru nem çıkışının önlendiği C C sıcakls caklıkların üzerinde ısıtıldığında, bir takım hidrotermal reaksiyonlar meydana gelir. Bu reaksiyonlar, çimento hamurunun mikro yapısında önemli fiziksel ve kimyasal değişiklikler iklikler ile sonuçlan lanır. Meydana gelen faz değişikli ikliğinin inin türü, t, CaO/SiO2 oranına, na, sıcaklığa a ve basınc ncın n seviyesine bağlı olarak değişir ir

45 Sıcaklık ( C) Molar CaO/SiO 2 oranı

46 Hidratasyonunu tamamlamış Portland çimentosu hamurlarının n CaO/SiO2 oranı 1 ile 3 arasında değişir ir ve ortalama olarak 1.5 değerine erine yakınd ndır. CaO/SiO2 oranı 1.5 olan çimento hamurları 110 C üzerindeki sıcaklıklara klara ısıtılırsa zayıf αc2s hidrat oluşur. ur. Bu yapı oldukça a gözenekli g ve kristal yapıda olup, özgül l yüzey y alanın n düşük d k olmasından ötürü düşük kohesif kuvvetlere (van der Waals) ) sahiptir. Bununla birlikte, CaO/SiO2 oranı 1 olan çimento hamurları,, nem kaçışı ışının önlendiği koşullarda 150 C üzerindeki sıcakls caklıklara klara ısıtılırsa güçg üçlü bir tobermorit jeli oluşur. ur. Bu nedenle, hidrotermal reaksiyonlara maruz kalacak çimento hamurlarının CaO/SiO2 oranın n düşük d k olması gerektiği i açıkta ktır. Bu durum sisteme uygun miktarda ve reaktif formda SiO2 ilave edilerek sağlanabilir

47 Basınç dayanımı, MPa Silika içeriği (Silika ve çimento toplamının % desi)

48 Otoklav çimento hamurlarının n optimum silika içerii eriği i yaklaşı şık k olarak %30 dur. Bu hamurun dayanımı normal kür k r edilmiş hamurlardan önemli oranda yüksektir. y Silika, çimento hamuru sistemine cüruf, c uçucu ucu kül, k silika dumanı ve silisli ince kum olarak ilave edilebilir

49 Richard ve Cheyrezy (1995), reaktif pudra betonunun kompozisyonu ile ilgili çalışmalarında şu u temel ilkeleri göz g önünde nde bulundurmuşlard lardır: r:

50 İri agreganın n elimine edilerek homojenliğin in arttırılmas lması, Granüler karışı ışımı optimize edip, priz öncesinde ve priz sırass rasında basınç uygulayarak sıkışıs ışık k yoğunlu unluğun arttırılmas lması,

51 Priz sonrasında nda ısıl l işlem i uygulayarak mikroyapının güçlendirilmesi, Karışı ışımda kısa k çelik lifler kullanılarak larak düktilitenin arttırılmas lması, Karış ıştırma ve yerleştirme işlemlerinin i mümkün n olduğunca unca pratiğe e uygun şekilde desteklenmesi.

52 İri agreganın n sistemden kaldırılmas lması, bağlay layıcı hamurun mekanik özelliklerinin arttırılmas lması ve agrega/hamur oranının azaltılmas lması ile RPC karışı ışımlarının homojenlik problemleri azaltılm lmış olur.

53 Yoğunlu unluğun artması ile basınç dayanımının artması bilinen bir gerçektir. ektir. Dolayısıyla, yla, taze betona uygun bir basınç uygulaması yoğunlu unluğu arttırmak rmak için i in efektif bir yöntemdir. y Birkaç saniye süresince uygulanan basınç sıkışık k havanın elimine edilmesine, birkaç dakika boyunca uygulanan basınç fazla suyun kalıp boşluklar luklarından uzaklaştırılmas lmasına ve saat süre ile uygulanan basınç da kimyasal büzülmenin kompanse edilmesine olanak verir. Bu işlemler i yoğunlu unluğun %6 oranından ndan daha fazla artmasını sağlar.

54 90 C C civarındaki ısıl l işlemler i ile mikroyapıyı güçlendiren puzolanik reaksiyon ürünlerinin oluşumu umu artar, ancak hidratlar amorf durumdadır. r C gibi yüksek y sıcakls caklık k kürleri k kristal hidratların n oluşumuna umuna olanak sağlar.

55 Lineer ve elastik davranış gösteren RPC matrislerinin düktilitesini arttırmak rmak amacıyla mutlaka lifler kullanılmal lmalıdır. 13 mm uzunluğunda unda ve 0,15 mm çapında düz d çelik lifleri karışı ışıma hacimce %1,5-3 oranlarında nda katılmas lması yeterli olmaktadır.

56 RPC kullanımının n yararlarışu şekilde sıralanabilir. s RPC yüksek y performanslı betonlara göre g daha iyi bir alternatiftir ve yapısal olarak çelik ile yarış ışabilecek güce g sahiptir Üstün n dayanım özellikleri ölü yüklerin önemli oranda azalmasını sağlar. Düktil çekme kırılmask lması mekanizması ile, RPC direk ana çekme gerilmeleri dışıd ışındaki çekme gerilmelerine dayanıkl klılıkta kta kullanılabilir. labilir. Bu ilave kesme donatısını ve diğer ek donatılar ları ihtiyacını ortadan kaldırır. r.

57 Yüksek kırılma k enerjisi, daha tok ve daha fazla oranda enerji yutabilen yapısal elemanların üretilebilmesine olanak sağlar. RPC, daha hafif yapı elemanlarının n kullanımına na olanak vermesinden ötürü atalet yüklerini y azaltarak yapılar ların n sismik performansının gelişmesini sağlar. Azalan kesit elastik limit içinde inde daha fazla sehime izin verir ve yapının daha yüksek y oranda enerji yutabilmesini sağlar.

58 RPC, bağlant lantısız z ve düşük d k orandaki porozitesi ile kütle k transferini azaltarak, sıvı/gaz veya radyoaktif maddelerin penetrasyonunu hemen hemen ortadan kaldırır. r. Cesium difizyonu yoktur, Tritium difizyonu ise geleneksel depolama kaplarına kıyasla k 45 kez daha düşüktd ktür

59 Deneysel Çalışmalar

60 270 Compressive Strength, MPa SF content (%)

61 Compressive Strength, MPa % 20% 40% 60% GGBFS FA Mineral Admixtures

62 Compressive Strength, MPa Constant SF CaO/SiO2= Control G10F10 G10F20 G10F30 F20 G20F20 G40 Mixtures

63 Compressive Strength, MPa None Pressure applied Pressure applied Control G10F10 G10F20 G10F30 F20 G40 Mixtures

64 Modulus of Elasticity Compresive Strength Modulus of Elasticity, GPa Compressive Strength, MPa 30 Control F20 G10F10 G10F20 G10F30 G40 100

65 G10F30 F Load, N G CTRL ,5 1 1,5 2 2,5 3 Displacement, mm The Load-displacement relationship of 28-day water cured mixtures according to the GGBFS and/or FA content

66 F20 G10F30 Load, N CTRL 4000 G ,5 1 1,5 2 2,5 3 Displacement, mm Fig. 5 The Load-displacement relationship of steam cured mixtures according to the GGBFS and/or FA content

67 G Load, N CTRL G40 G10F ,5 1 1,5 2 2,5 3 Displacement, mm The Load-displacement relationship of autoclave cured mixtures according to the GGBFS and/or FA content

68 tobermorit

69 ECC, ÇOK YÜKSEK ÇEKME BİRİM DEFORMASYON KAPASİTESİİLE DİĞER LİFLİ KOMPOZİTLERDEN AYRILMAKTADIR.

70 ENGINEERED CEMENTITIOUS COMPOSITES ÇİMENTOLU MALZEMELERİN ÇEKME DAVRANI I

71 Lifli Kompozitler Yüksek Performanslı Lifli Kompozitler ECC Kompozit dizayn metodolojisi Genel Yüksek oranda lif kullanımı Mikromekanike dayalı (Lif miktarı minimize edilmiş,, lif özellikleri geliştirilmi tirilmiş) Lif özellikleri Çeşitli tiplerde Vf<%2 df(çelik)=0.5m m Genellikle çelik Vf>%5 (Genel) df=0.15 mm Polimer lifler daha uygun Vf<%2 df<0.05 mm Matris özellikleri Kaba agrega kulanılır İnce agrega kullanılır Matris tokluğu u ve ilk çatlak boyutu kontrol edilir. İnce agrega kullanılır. Arayüzey Kontrolsüz Kontrolsüz Kontrollü Çekme davranışı Br.. Def. Yumuşamas aması Br.. Def. Sertleşmesi Br.. Def. Sertleşmesi Çekme birim deformasyon kapasitesi % 0.1 < %1.5 > %3 - %8 Çatlak genişli liği Sınırsız Tipik olarak birkaç yüz z mikron değerinde, erinde, %1.5 Br. def. dan sonra sınırsız Br.. Deformasyon sertleşmesi sırass rasında 100 mikronun altında

72

73

74 Dokuz Eylül Üniversitesi Đnşaat Mühendisliği Bölümü ÖZEL BETONLAR YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR-3 Doç. Dr. Halit YAZICI