3. HAZIR BETON BİLEŞENLERİ VE KONTROLÜ

Transkript

1 3. HAZIR BETON BİLEŞENLERİ VE KONTROLÜ Hazır betonun özelliklerini anlayabilmek ve kaliteli bir ürün elde edebilmek için öncelikle bu ürünü meydana getiren beton bileşenlerinin ya da hammaddelerinin (portland çimentosu, agregalar, su, mineral ve kimyasal katkı) özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Genel olarak, beton hammaddeleri beton dayanıklılığını olumsuz etkileyebilecek veya donatı korozyonuna sebep olabilecek miktarda zararlı madde içermemeli ve betonda kullanım amacına uygun olmalıdır. Öte yandan, hammaddelerin genelde uygunluğunun belirlenmiş olması, bu malzemelerin her durumda ve her beton bileşimi için uygun olduğu anlamına da gelmemelidir. Bu bölümde sırasıyla Portland çimentosu, agregalar, su, kimyasal ve mineral katkılar tanıtılacak ve bunların uygunluk kontrolünde kullanılan gerekli bilgiler sağlanacaktır Portland çimentosu Portland çimentosu, portland çimentosu klinkeri adı verilen endüstriyel bir ürünün doğal alçıtaşıyla birlikte öğütülerek toz haline getirilmesiyle oluşan ve genellikle gri renkte bulunan bir yapı malzemesidir. Portland çimentosunun diğer fiziksel özelliklerine bakılacak olursa, özgül ağırlığının 3,10; birim hacim ağırlığının 1500 kg/m 3 ; tane boyutunun ise 10 ile 50 mikrometre arasında olduğu söylenebilir. Portland çimentosu klinkeri ise doğada bulunan kalker ve kilin gerektiğinde aliminyum ve demir oksit içeren diğer malzemelerle birlikte yaklaşık 1500 ºC ye varan yüksek sıcaklıklarda döner fırınlarda pişirilmesiyle elde edilir Üretim Süreci Hammaddeler Prensip olarak, Portland çimentosu üretimi doğal kaynaklardan elde edilen hammaddelerin kullanımına dayanır (Mindess ve Young, 1981). Portland çimentosu, kireçtaşı veya talk gibi kalkerli malzemeler ve silika ile alümin içeren kil veya şeyl gibi malzemelerin kombinasyonundan oluşur (Neville ve Brooks, 2004). Portland çimentosu için gerekli temel dört temel oksit, kalsiyum karbonat içeren kayaçlardan gelen kireç (CaO), kilden gelen silis 1

2 (SiO 2 ) ve genellikle kilden gelen, bazen ise ilaveten katılan alümina (Al 2 O 3 ), ve demir oksit (Fe 2 O 3 ) tir (Nawy, 2001). Bu dört temel oksitin tipik bir çimentodaki oranları ile bunların çimento kimyasındaki kısaltmaları Tablo 3.1 de görülmektedir. Tablodan da görüleceği üzere en fazla kireç ve silis daha az oranda ise alümina ve demir oksit çimento üretiminde mutlaka bulunması gereken oksitlerdir. Bunun yanısıra çimento içerisinde bulunan diğer bileşenlerin yüzdeleri ise Tablo 3.2 de verilmiştir (Newman ve Choo, 2003). Tablo 3.1. Portland çimentosu anaoksitlerinin yüzdelik dağılımı Ana oksitler Kısaltma % CaO C 65.5 SiO 2 S 21.1 Al 2 O 3 A 5.6 Fe 2 O 3 F 3.0 Toplam 95.2 Tablo 3.2. Portland çimentosu diğer bileşenlerinin yüzdelik dağılımı % MgO 1.50 SO Mn 2 O P 2 O TiO K 2 O 0.72 Na 2 O 0.18 Flor 0.04 Klor 0.02 Kızdırma kaybı 0.50 Diğer elementler 0.01 Toplam Hammadde karışımının (Farin) hazırlanması Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammadde karışımında uygun oranlarda CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 gibi oksitlerin yer almış olması gerekmektedir. Bu karışımların hazırlanmasında aşağıda belirtilen çimento modüllerinin yani birtakım kimyasal oksit oranlarının hesaplanmasından yararlanılmaktadır (Erdoğan, 2003): 2

3 Kireç doygunluğu faktörü = 2.80S C 1.18A 0.65F (3) Silis modülü= S A F (4) Alümina modülü= F A (5) Genel çimentoların üretimi için uygun olan hammadde karışımındaki kireç doygunluğu faktörü 0,90 1,02 dir. Silika modülü genellikle 2,5 3,5 arasındadır. Alümina modülü 1,3 1,5 arasındadır (Kuleli, 2009). Ancak özel çimentolarda durum farklı olabilir, örneğin beyaz çimento üretiminde kullanılacak hammaddede çok az demir oksit bulunması gerektiğinden, böyle bir karışımdaki demir modülü çok yüksektir (Erdoğan, 2003). Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammaddelerin karışımı, çok ince boyutlara getirilmiş kalkerli ve killi maddelerin kuru veya su ile birlikte çamur gibi bir duruma getirilmesi şeklinde hazırlanmaktadır. Hammadde karışımının hazırlandığı yönteme göre, bu uygulamalara kuru sistem veya yaş sistem denilmektedir. Bazen, malzeme karışımının çok az su ile birleştirilerek yürütüldüğü yarı-kuru sistem de uygulanabilmektedir. Yaş sistemde, hammadde karışımının içerisinde yaklaşık % 35 kadar su bulunduğu için, bu tür karışımların pişirilmesi daha çok enerji gerektirmekte, daha pahalı olmaktadır. Ancak yaş sistem, toz kontrolünün daha kolay olması nedeniyle ekolojik yönden tercih gören bir sistemdir (Erdoğan, 2003). Sıcak gazlar ile hammadde arasında etkili ısı değişimine izin veren çok aşamalı süspansiyon-ön ısıtıcılı kuru sistem fırınlarında klinkerleşme için 800 kcal/kg enerji gerekirken, yaş sistemle işleten fırınlar için 1400 kcal/kg enerji gerekmektedir. Dolayısıyla, kuru sistemde yaş sisteme göre enerji bakımından önemli ölçüde tasarruf sağlandığı için modern çimento fabrikaları kuru öğütme süreçlerini kullanmaktadır (Mindess ve Young, 1981; Mehta ve Monteiro, 2006). Yarı-kuru sistemde, malzeme karışımının içerisinde % 12-% 14 su bulunmaktadır. Kuru süreçte de, hammaddeye fırınla iyi temas halinde olabilmesi ve gradasyonunun iyileştirilmesi için su eklenebilir (Mindess ve Young, 1981). 3

4 Üretim Portland çimentosu klinkerindeki bileşenlerin oluşumunu kolaylaştırmak için, ısıl işlemden önce hammaddeyi homojen bir hale getirmek gerekir. Bu nedenle malzemeler sırasıyla parçalanır, öğütülür ve harmanlanır. İstenilen kompozisyondaki klinkeri üretebilmek için stoklanmış malzemelerin kimyasal analizlerinden yararlanılarak, hammadde karışım oranları belirlenir. Oranlanmış hammadde, genellikle topak şeklinde veya 75 µm nin altındaki partiküllerden oluşmaktadır (Mehta ve Monteiro, 2006). Üretim süreci, hammaddelerin çok ince toz halinde öğütülmesi, belirlenen oranlarda karıştırılması ve 1400 C gibi bir yüksek sıcaklıktaki büyük bir döner fırında pişirilmesi aşamalarını içerir. Karışım, eğimli bir döner fırından geçerek C gibi yüksek sıcaklıkta klinkerleşir. Bu sıcaklıklara erişebilmek için kullanılan ısı kaynağı genelde kömürdür ve 1 ton çimento üretebilmek için gerekli kömür miktarı kullanılan sürece ve kömür özelliklerine bağlı olarak 100 kg ve 350 kg arasındadır (Neville ve Brooks, 2004). Hammadde döner fırında aşağıya doğru hareket ettikçe, daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşır ve fırın içerisinde farklı kimyasal tepkimeler gerçekleşir. Fırının en sıcak kısmında malzemenin % u sıvı olana ve kireç, silis ve alümin birleşene kadar kimyasal reaksiyonlar devam eder. Kütle daha sonra ergiyerek topaklanarak klinkerleşme gerçekleşir ve ortaya çıkan ürün klinker olarak adlandırılır. Klinker boyutları çap olarak 3 25 mm civarındadır. Daha sonra klinker hızlı bir şekilde soğutulur ve öğütülmek üzere stok sahasına alınır. Portland çimentosu üretim sürecindeki en son işlem, klinkeri µm boyutlarında öğütmektir. Bu işlem, bilyalı tamburlarda gerçekleştirilir. Çimentonun erken priz almasını ve sertleşmesini kontrol etmek için, öğütme işlemi öncesinde klinkere yaklaşık % 5 civarında alçıtaşı veya kalsiyum sülfat eklenmelidir (Mehta ve Monteiro, 2006). Kuru sistem kullanan modern bir şekilde tasarlanmış bir fırın günde binlerce, yılda ise milyonlarca ton klinker üretebilir. Amerika da 70 milyon ton, İngiltere de ise 14,5 milyon ton klinker üretimi mevcuttur (Neville ve Brooks, 2004). TÇMB nin 2009 yılı istatistiklerine göre ise Türkiye de yıllık klinker üretimi ortalama milyon ton civarındadır Kimyasal Kompozisyonu 4

5 Portland çimentosu kimyasal analizi standart metotlar kullanılarak yapılır. Portland çimentosu farklı kalsiyum bileşenleri içermesine rağmen kimyasal analiz sonuçları mevcut elementlerin oksitleri şeklindedir. Kimyasal analiz sonucunda, her element oksit olarak belirlenir (Mehta ve Monteiro, 2006; Mindess ve Young, 1981). Oksitler, klinker bileşenleri ve diğer bileşenlerin çimento kimyasına göre notasyonları Tablo 3.3 de verilmiştir (Mehta ve Monteiro, 2006; Erdoğan, 2003). Tablo 3.3. Oksitler, çimento bileşenleri ve diğer bileşenlerin notasyonları Mehta ve Monteiro, 2006; Erdoğan, 2003) Oksit Notasyon Bileşen Notasyon CaO C 3CaO.SiO 2 C 3 S SiO 2 S 2CaO.SiO 2 C 2 S Al 2 O 3 A 3CaO.Al 2 O 3 C 3 A Fe 2 O 3 F 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 C 4 AF MgO M 4CaO.3Al 2 O 3.SO 3 C 4 A 3 S SO 3 S 3CaO.2SiO 2.3H 2 O C 3 S 2 H 3 Ca(OH) 2 CH CaSO 4.2H 2 O C S H 2 SO 3 dışındaki bütün oksitler çimento klinkerini de oluşturan oksitlerdir. Klinkerin içerisinde genelde SO 3 bulunmamaktadır. Analizlerde görülen SO 3, genelde çimento üretimi için klinkerle birlikte öğütülen alçıdan (CaSO 4 = CaO.SO 3 ) gelmektedir. Klinkerde ve Portland çimentosunda yer alan oksitlerden CaO hammadde karışımındaki kalkerden, SiO 2 ve Al 2 O 3 ise kilden elde edilmektedir. Genelde, hammaddelerden kilin içerisinde bir miktar Fe 2 O 3 bulunmaktadır. CaO, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 olmak üzere dört oksit, çimentonun anabileşenlerini oluşturan ana oksitlerdir (Erdoğan, 2003). Portland çimentosunun tipik oksit bileşimi Tablo 3.4 de verilmiştir (Mindess ve Young, 1981). Tablo 3.4 de verilen oksitlerden CaO, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 çimentonun genel anlamda özelliklerini belirleyen oksitlerdir. Bunların dışında MgO, Na 2 O ve K 2 O, çimentonun performansını etkileyen diğer öenmli oksitlerdir. Mn 2 O 3, P 2 O 5 ve TiO 2 gibi oksitler çimentoda düşük miktarlarda yer alırlar ve çimentonun özelliklerini düşük derecelerde etkilerler. Fe 2 O 3 ile MgO nun varlığı çimentoya gri rengini verir. Ayrıca MgO nun varlığı çimentonun hacimsel genleşmesi yani dayanıklılığı açısından da önemlidir (Mindess ve Young, 1981; Erdoğan 2003). Çimentonun yapısında yer alan MgO ve alkalilerin yararlı bir fonksiyonu olmamasına rağmen fazla miktarlarda yer 5

6 aldıkları takdirde çimento hamurunda ve betonda genleşmeye neden olurlar (Erdoğan, 2003). Tablo 3.5 da ise yine tipik bir Portland çimentosunun oksit ve bileşen kompozisyonu verilmiştir (Neville ve Brooks, 2004). Bu verilenlerden kızdırma kaybı ve çözünmeyen kalıntı çimento özellikleri açısından oldukça önemlidir. Çözünmeyen kalıntı, çimento üretiminde döner fırında kimyasal reaksiyonların tamamlanıp tamamlanmadığını, kızdırma kaybı ise çimentonun uygun koşullarda saklanıp saklanmadığı gösterdiği için önemlidir. BS 12: 1991 çözünmeyen kalıntının çimento ağırlığının maksimum % 1,5 u olması gerektiğini belirtmiştir. ASTM C de ise çözünmeyen kalıntının çimento ağırlığının % 0,75 i ile sınırlandırılmıştır. Hem ASTM C de hem de BS 12: 1991 de kızdırma kaybının çimento ağırlığının maksimum % 3 ü olması gerektiği yer almaktadır (Neville ve Brooks 2004). TS EN standardında ise kızdırma kaybı ve çözünmeyen kalıntı değerlerinin sadece bazı çimentolar için belirlenmesi gerektiği belirtilerek, her ikisi için de maksimum %5,0 ı aşmaması gerektiği belirtilmektedir. Tablo 3.4. Portland çimentosunun tipik oksit bileşimi (Mindess ve Young, 1981) Oksit Notasyon Genel ismi Ağırlık (%) CaO C Kireç 63 SiO 2 S Silika 22 Al 2 O 3 A Alümina 6 Fe 2 O 3 F Demir oksit 2.5 MgO M Magnezyum oksit 2.6 K 2 O K 0.6 Alkaliler Na 2 O N 0.3 SO 3 S Kükürt anhidriti 2.0 CO 2 C Karbondioksit - H 2 O H Su - 6

7 Tablo 3.5. Tipik bir Portland çimentosunun oksit ve bileşen kompozisyonu (Neville ve Brooks, 2004) Oksit Kompozisyonu (%) Bileşen (%) CaO 63 C 3 A 10.8 SiO 2 20 C 3 S 54.1 Al 2 O 3 6 C 2 S 16.6 Fe 2 O 3 3 C 4 AF 9.1 MgO 1,5 SO 3 2 K 2 O Na 2 O 1 Serbest CaO 1,4 Kızdırma kaybı 2 Çözünmeyen kalıntı 0,5 Serbest kalsiyum oksit ise modern Portland çimentolarında nadiren ciddi miktarlarda bulunur. Hammaddenin yanlış oranlanması, yetersiz öğütme, fırında hammaddenin yetersiz sürede kalması klinkerdeki serbest kalsiyum oksit oluşumunun temel nedenleridir (Mehta ve Monteiro, 2006). Portland çimentosunun özellikleri bileşen kompozisyonu ile ilişkili olduğundan çimentonun oksit analizlerinden sonuç çıkarmak oldukça zordur. Genelde hesaplamalar Bogue denklemlerine göre gerçekleştirilir. Ancak, iki farklı çimentonun oksit analizinde çok küçük farklılıklar bileşen kompozisyonunda büyük farklılıklara sebep olur. Bileşen kompozisyonunun doğrudan belirlenmesi ise özel ekipman gerektirir ve rutin kalite kontrolü için gerekli değildir (Mehta ve Monteiro, 2006). ASTM C 150 de basit Bogue denklemleri şu şekilde verilmiştir (Mindess ve Young, 1981); A durumu: A/F 0.64 C 3 S= 4,071C-7,600S-6,718A-1,430F-2,852 S (11) C 2 S= 2,867S-0,7544C 3 S (12) C 3 A= 2,650A-1,692F (13) C 4 AF= 3.043F (14) B durumu: A/F< 0.64 C 3 S= 4,071C-7,600S-4,479A-2,859F-2,852 S (15) C 2 S= 2,867S-0,7544C 3 S (16) 7

8 C 3 A= 0 (17) C 4 AF= 2,100A+1,702F (18) Normal Portland çimentosunun tipik kimyasal kompozisyonu Tablo 3.7 de gösterilmektedir (Mindess ve Young, 1981). Bu denklemler çimento içerisinde herhangi bir katkı malzemesi içerdiği durumlarda kullanılamazlar. Dolayısıyla, bu denklemlerin TS EN standardlarına göre üretilmiş olan ve minör ilave bileşen içeren çimentolarda kullanılması yanlış sonuçların elde edilmesine yol açacaktır Anabileşenler ve Özellikleri Tipik bir normal Portland çimentosunun anabileşenleri Tablo 3.6 da gösterilmektedir (Mindess ve Young, 1981; Neville ve Brooks, 2004; Erdoğan, 2003). Tablo 3.6. Normal Portland çimentosunun tipik kompozisyonu (Mindess ve Young, 1981) Kimyasal adı Kimyasal formülü Notasyon Ağırlık (%) Trikalsiyum silikat 3CaO.SiO 2 C 3 S 50 Dikalsiyum silikat 2CaO.SiO 2 C 2 S 25 Trikalsiyum alüminat 3CaO.Al 2 O 3 C 3 A 12 Tetrakalsiyum alüminoferrit 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 C 4 AF 8 Kalsiyum sülfat dihidrat (alçıtaşı) CaSO 4.2H 2 O C S H C 3 A ve C 3 S çimentonun en reaktif anabileşenlerdir. C 2 S ise çok daha yavaş reaksiyona girer. Alçıtaşı varlığı C 3 A nın hızlı reaksiyona girmesini engeller. Alit olarak adlandırılan C 3 S in yüksek oranlarda bulunması çimentolarda erken dayanımın daha yüksek oluşmasına neden olur. Belit olarak adlandırılan C 2 S in erken dayanıma katkısı ise çok yüksek değildir, ancak son dayanıma katkısı yüksektir. C 3 S ve C 2 S in Portland çimentosunda hidratasyonu sonucunda kalsiyum silikat hidratlar ile kalsiyum hidroksit oluşur. Her anabileşenin reaksiyon hızı, reaksiyon esnasında açığa çıkardığı ısı ve oluşan ürünün dayanıma katkısı farklı olmaktadır. Tablo 3.7 de anabileşenlerin özellikleri verilmiştir (Mindess ve Young, 1981; Mehta ve Monteiro, 2006; Erdoğan, 2003; Nawy, 2001). 8

9 Tablo 3.7. Portland çimentosu anabileşenlerinin özellikleri (Erdoğan, 2003; Nawy, 2001) Bileşen İlk Son Reaksiyon Hidratasyon dayanıma dayanıma hızı ısısı katkısı katkısı Trikalsiyum silikat, (C 3 S) Orta Orta Yüksek Yüksek Dikalsiyum silikat, (C 2 S) Yavaş Düşük Düşük Yüksek Trikalsiyum alüminat, (C 3 A) Hızlı Çok yüksek Düşük Düşük Tetrakalsiyum alüminoferrit, (C 4 AF) Yavaş Düşük Düşük Düşük Kalsiyum silikatlar (C 3 S ve C 2 S) hidrate olmuş çimento hamurunun dayanımından sorumlu en önemli bileşenlerdir. Dayanıma katkısının çok az olmasına karşın, çimentoda C 3 A varlığı çimento hamuru sülfat atağına maruz kaldığında kalsiyum sülfoalüminat ve etrenjit oluşumuna neden olarak dayanıklılığı olumsuz etkilemesinden dolayı istenmeyen bir durumdur. Ancak, kireç ve silikanın kombinasyonunu sağladığından çimento üretiminde C 3 A oldukça gereklidir. C 4 AF çimentoda çok düşük miktarlarda yer alır. Diğer anabileşenler ile kıyaslandığında çimento özelliklerini ciddi oranda etkilemez. Ancak, C 4 AF alçıtaşı ile reaksiyona girerek kalsiyum sülfoferrit oluşturur ve kalsiyum sülfoferrit varlığı silikatların hidratasyonunu hızlandırabilir (Neville ve Brooks, 2004) Hidratasyon Çimentonun su ile gerçekleştirdiği reaksiyonlar, çimentonun hidratasyonu olarak tanımlanır ve hidratasyon sonunda oluşan yeni katılar hidratasyon ürünleri olarak adlandırılır (Mehta ve Monteiro, 2006; Mindess ve Young, 1981). Tüm anabileşenler aynı hızda reaksiyona girmeyip hidrate olmazlar. Örneğin, alüminatlar silikatlardan çok daha hızlı hidrate olurlar (Mehta ve Monteiro, 2006). Portland çimentosu hamurunun kıvam kaybı ve priz alma özellikleri alüminatları içeren hidratasyon reaksiyonları ile belirlenir. Normal Portland çimetosunun yaklaşık % 75 ini oluşturan silikatlar dayanım kazanmada önemli rol oynarlar (Mehta ve Monteiro, 2006). Daha önce anlatıldığı ve Tablo 3.9 da verildiği üzere, C 3 A ve C 3 S en reaktif bileşenlerdir ve C 2 S çok daha az reaktiftir. C 3 A nın suyla reaksiyonu çok hızlı gerçekleşir. Ancak, alçıtaşının varlığı C 3 A nın erken hidratasyonu yavaşlatır. C 4 AFalçıtaşı-su reaksiyonu C 3 S reaksiyonundan daha yavaştır. C 4 AF nin alçıtaşı olmadan hidratasyonu daha hızlıdır (Mindess ve Young, 1981). Çözeltideki sülfat konsantrasyonu da oluşan hidratasyon ürünlerinin farklılığını etkilemektedir. Çözeltideki alüminat/sülfat 9

10 oranının Portland çimentosu suyla birleştiğinde silikatlar ve alüminatlar hidratasyon ürünlerini oluşturur. C 3 S in hidratasyon ürünü mikrokristal hidrat olan C 3 S 2 H 3 ve kristal Ca(OH) 2 dir. C 2 S in hidratasyonu sonucunda yine benzer ürünler oluşur. Kalsiyum silikat hidratlar C-S-H olarak tanımlanır. Kalsiyum silikatların sadeleştirilerek gösterilebilen hidratasyon reaksiyonları aşağıdaki gibidir (Neville ve Brooks 2004; Erdoğan, 2003). C 3 S için; 2C 3 S+6H C 3 S 2 H 3 +3Ca(OH) 2 (19) C 2 S için; 2C 2 S+4H C 3 S 2 H 3 +Ca(OH) 2 (20) C 3 A nın suyla reaksiyonu çok hızlıdır ve ani prize sebep olur. Bu sorun daha önce belirtiği gibi klinkerin öğütülmesi aşamasında alçıtaşı eklenmesi ile çözülür. C 3 A nın alçıtaşı olmadığı ve olduğu durumlardaki reaksiyonları şu şekildedir (Neville ve Brooks, 2004). Alçıtaşı yoksa; C 3 A+6H C 3 AH 6 (21) Alçıtaşı varsa; C 3 A+ +10H (22) 2 C 3 A+ +26H (23) 2 Yukarıdaki denklemlerden de görüleceği üzere, C 3 A nın hidratasyonu için gerekli su C 3 S in hidratasyonu için gerekli sudan daha fazladır. Portland çimentosu hidratasyon reaksiyonlarının tümü ekzotermiktir, yani reaksiyonlar sonucunda ısı açığa çıkar. Betonda ısı artışının miktarı, ısının betondan dışarıya nasıl ve ne hızla dağıldığına bağlıdır. Bundan dolayı hidratasyon ısısı önem kazanmaktadır. Tipik bir çimentonun hidratasyon ısısı J/g cinsinden aşağıdaki şekilde verilmiştir (Neville ve Brooks, 2004; Mindess ve Young, 1981). H 3 gün = 240(C 3 S)+50(C 2 S)+880(C 3 A)+290(C 4 AF) (24) H 1 yıl = 490(C 3 S)+225(C 2 S)+1160(C 3 A)+375(C 4 AF) (25) Burada C 3 S, C 2 S, C 3 A ve C 4 AF miktarı çimento ağırlığının % si olarak verilmiştir (Mindess ve Young, 1981). Tablo 3.8 de ise Portland çimentosu bileşenlerinin hidratasyon ısıları kal/g cinsinden özetlenmiştir (Mehta ve Monteiro, 2006). 10

11 Tablo 3.8. Portland çimentosu bileşenlerinin hidratasyon ısıları (kal/g) (Mehta ve Monteiro, 2006). Bileşen Hidratasyon ısısı (kal/g) 3 gün 90 gün 13 yıl C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Hidratasyon ısısını belirleme yöntemleri TS EN 196-8, TS EN ile BS 4550: 1978, ASTM C de açıklanmaktadır. Portland çimentolarında toplam ısının yarısı 1 3 gün arasında açığa çıkar. 7 gün sonunda ısının dörtte üçü, 6 ay sonunda da % 90 ı açığa çıkar. Hidratasyon ısısı çimentonun kimyasal kompozisyonuna bağlıdır ve yaklaşık olarak anabileşenlerin hidratasyon ısılarının toplamına eşittir. C 3 A ve C 3 S oranlarının azaltılmasıyla çimentonun hidratasyon ısısı azaltılabilir. Ayrıca, çimentonun fiziksel özelliklerinden olan inceliği ısının ortaya çıkma hızını etkiler. Hidratasyon ısısı ile anabileşenlerin bağlayıcılık özellikleri arasında herhangi bir ilişki yoktur (Neville ve Brooks, 2004) Portland Çimentosu Tipleri Portland çimentosu ülkemizde Yapı Malzemeleri Yönetmeliği 89/196/EEC kapsamında üretimi ve denetiminin yapılması istenen yapı malzemelerinden biri olup TS EN standardına göre üretilmektedir. Harmonize edilmiş Avrupa Standardlarından biri olan EN standardına göre toplam 5 grup CEM çimentosu olarak adlandırılan çimento tipi mevcuttur. Ayrıca, bu standard dışında olan beyaz çimento, harç çimentosu, sülfata dayanıklı çimento gibi özel çimento tipleri de mevcuttur ve bu çimentolar için farklı çimento standardları bulunmaktadır. TS EN standardına göre CEM çimentosu bileşiminde klinkerin yanısıra majör ve minör ilave bileşenler bulunmaktadır. Bu standardın kapsamındaki 27 farklı genel çimento aşağıdaki beş ana tipte gruplandırılmıştır (TS EN 197-1). CEM I Portland çimentosu CEM II Portland-kompoze çimento CEM III Yüksek Fırın Curuflu çimento CEM IV Puzolanlı çimento 11

12 CEM V Kompoze çimento Amerika da ise harmonize edilmiş Türk standardından farklı olarak üç farklı çimento standardı bulunmaktadır. Bunlar, Portland Çimentosu için ASTM C 150, katkılı hidrolik çimentolar için ASTM C 595 ve performansa dayalı olarak geliştirilen hidrolik çimento standardı olan ASTM C 1157 dir. ASTM C 150 tarafından belirtilen 5 farklı Portland çimentosu mevcuttur. Bu çimentoların farklılığı bileşenlerinin miktarlarının farklılığından kaynaklanır. ASTM Tip I çimentosu hiçbir özel bir durumun ihtiyaç duyulmadığı yapılarda yaygın kullanılan bir çimentodur. Daha hızlı dayanım kazanma ihtiyacı olması durumunda örneğin düşük sıcaklıklarda beton dökümünde ASTM Tip III çimentosu kullanılmalıdır. C 3 S veya C 3 A miktarını artırmakla bu sağlanabilir. Ancak, çimentoyu daha ince öğütmek de burada etkilidir. İncelik arttıkça yüzey alanı artacak ve su ile temas daha çabuk olacaktır. Böylece, hidratasyon hızlanacak ve dayanım kazanma hızı artacaktır. ASTM Tip III çimentosu kullanıldığında ilk 24 saat sonunda dayanım kazanma miktarı ASTM Tip I çimentosu kullanıldığındaki dayanım kazanma miktarının yaklaşık iki katıdır (Mindess ve Young, 1981). Öte yandan, yüksek C 3 S miktarı ve hızlı hidratasyon gerçekleşmesi yüksek oranda ısı oluşturur, ve bu ısı dışarıya çıkmazsa beton içerisindeki sıcaklık artışı da yüksek olur. Bu durum özellikle kütle betonlarında, beton plastik durumda iken, yüksek içsel sıcaklıklarda önemli olur. Bu durum betona genelde zarar vermez. Ancak, beton gün geçtikçe ve dayanımını kazandıkça bu problemler kendini ısıl gerilmeler ve bunların neden olduğu çekme çatlakları şeklinde gösterir. Bu nedenle, kalınlığı yarım metreden büyük olan kütle betonlarında, ASTM Tip III çimentosu kullanılmamalıdır. Baraj betonlarında ısıl çatlaklar önemli bir problemdir. Bu problem büyük ölçüde düşük hidratasyon ısısına sahip ASTM Tip IV çimentosunun kullanılmasıyla çözülür (Mindess ve Young, 1981). Yapılarda diğer bir problem beton dökülmesinden sonra erken yaşlarda betonun sülfatlı sulara veya sülfatlı zemine maruz kalmasıdır. Bu duruma en iyi örnek deniz suyudur. Deniz suyunda beton ıslanmakuruma döngülerine maruzdur. Ancak, çoğu yeryüzü suyu yüksek miktarlarda sülfat içerir ve deniz suyundan daha zararlıdır. Sülfat etkisi C 3 A dan oluşan hidratasyon ürünleri arasındaki etkileşimleri içerir. C 3 A miktarını düşürmek ve bunu C 4 AF ye dönüştürmek sülfat etkisi için en iyi önlemlerden biridir. Sülfat etkisine karşı ASTM Tip V çimentosu kullanılmalıdır (Mindess ve Young, 1981). 12

13 Çimentonun Denetimi Çimento 89/106/EEC Yapı Malzemeleri Direktifinde adı geçen ve CE işareti bulundurulması gereken bir yapı malzemesidir. Herhangi bir çimentonun piyasaya arzında bu işaret aranmalıdır. Bu işareti bir üreticinin alabilmesi ve ürünlerine uygulayabilmesi içinse bazı uygunluk değerlendirme işlemlerinden başarı ile geçmesi gerekmektedir. Bu bölümde kısaca çimento için uygunlanan uygunluk değerlendirme işlemleri diğer bir deyişle çimentonun denetimi anlatılacaktır. Yapı malzemelerinin uygunluk değerlendirmesinde Tablo 3.9 da gösterildiği üzere genelde 6 farklı seviyede (1+, 1, 2+, 2, 3 ve 4) uygunluk kontrol sistemi kullanılmaktadır. Her bir seviye için uygunluk değerlendirmesinde gerek üretici gerekse onaylanmış kuruluşlarının sorumlulukları belirlenmiştir. Bu sorumluluklar ve seviyeler malzemelerin oluşturacağı riskler gözönünde bulundurularak belirlenmiştir. Örneğin 1+ sisteminde olan çimento yüksek risk içeren yapı malzemeleri grubunda bulunmaktadır. Tablo 3.9. Uygunluk Değerlendirme Sistemleri Uygunluk Değerlendirme Sistemleri Üreticinin Sorumlulukları Fabrika üretim kontrol sistemi oluşturmak x x x x x x Ürünün ilk tip testini tamamlamak x x x Belirlenmiş bir plan dahilinde üründen numuneler almak x x x Onaylanmış Kuruluşun Sorumlulukları Fabrikanın ve Fabrika üretim kontrol sistemini başlangıçta incelemek x x x x Ürünün ilk tip testini tamamlamak x x x Fabrikanın ve Fabrika üretim kontrol sistemini sürekli incelemek x x x Fabrikadan ürüne ait numuneler almak x Yukarıdaki tablodan da görüleceği üzere çimento için üreticiler bir fabrika üretim kontrol sistemi oluşturmak ve bir plan dahilinde çimentodan numuneler almak zorundadırlar. Onaylanmış kuruluş ise çimento fabrikasını başlangıçta ve sürekli olarak denetleyecek ve düzenli aralıklarda çimento numuneleri almak durumundadırlar. 13

14 TS EN ve TS EN standardlarında üreticinin ve onaylanmış kuruluşun yapması gerekenler detaylı bir şekilde belirtilmiştir. Özetlemek gerekirse çimento üreticileri almış oldukları çimento numunelerinde erken ve standard basınç dayanımı, ilk priz süresi, ve genleşme gibi mekanik ve fiziksel özelliklerinin yanısıra kızdırma kaybı, çözünmeyen kalıntı, sülfat oranı, klorür oranı ve puzolanik aktivite gibi birtakım kimyasal özelliklerini de standardda belirtien sıklıklarda düzenli olarak belirlemek zorundadırlar. Onaylanmış kuruluşlar ise senede en az iki kez olmak üzere düzenli aralıklarda fabrikayı ve fabrika üretim sistemini kontrol etmek, senede en az altı kere de fabrikadan numune alıp deneyler yapmak ve fabrikanın verileriyle almış oldukları ürüne ait verileri karşılaştırmak suretiyle birtakım istatistiksel kontroller yapmak zorundadır. Hangi deneyin hangi sıklıkta yapılacağı ve uyuşmazlıklar halinde neler yapılması gerektiği yukarıda adıgeçen standardlarda belirtilmiştir. 14

15 3.2. Agrega Agregalar, çimento ve su karışımıyla birlikte betona hacim kararlılığı sağlamak amacıyla kullanılan, çakıl, kırmataş gibi doğal kaynaklı olan veya genleştirilmiş perlit ve genleştirilmiş kil gibi yapay kaynaklı olan taneli dolgu malzemeleridir (Arıoğlu ve ark., 2006). Agrega, betonun en temel bileşenlerinden bir tanesi olup agreganın çimento hamuru ile karıştırılıp beton hazırlanmasının üç ana nedeni vardır. Birincisi agrega çimentodan ucuzdur. İkincisi agrega rötreyi ve sünmeyi azaltır, karışıma iyi bir hacimsel kararlılık verir. Üçüncüsü ise genelde kimyasal reaksiyona girmediği için betonun durabilitesinin yani kalıcılığının daha iyi olmasını sağlar (Newman ve Choo, 2003; Mehta ve Monteiro, 2006). Agregalar, beton hacminin % ini oluştururlar ve genellikle mineral kökenlidirler (Arıoğlu ve ark., 2006; Mehta ve Monteiro, 2006). Agreganın fiziksel ve mekanik özellikleri üretilecek nihai ürünün özelliklerini doğrudan etkilemektedir (Erdoğan, 2003). Dolayısıyla, agregalar, kullanılacağı yere göre istenilen şartları yerine getirmeli; sert, temiz, yüksek dayanımlı olmalıdır (Baradan, 1996; Mindess ve Young, 1981). Agregalar, silt, kil, organik madde gibi yabancı madde içermemelidir. Silt, kil ve diğer ince maddeler betonun su ihtiyacını artırmakta, organik maddeler ise çimento ile reaksiyona girebilmektedir. Uygun beton karışım oranlarını belirlemek için agreganın şekil ve yüzey yapısı, tane boyut dağılımı, su muhtevası (nem), özgül ağırlık ve birim ağırlık gibi özelliklerinin bilinmesi gereklidir (Mindess ve Young, 1981). Porozite, tane boyut dağılımı, su muhtevası, şekil ve yüzey yapısı, elastisite modülü gibi özellikler de betonda kullanılan agreganın önemli özellikleridir (Mehta ve Monteiro, 2006) Agregaların Sınıflandırılmaları Agregalar farklı şekillerde sınıflandırılabilir. Bu işlem agregayı tanımlayabilmek ve doğru olarak kullanabilmek için yapılmaktadır. Agregaların sınıflandırma işlemi, elde edildikleri kaynaklara, özgül ağırlıklarına, üretim şekillerine ve mineralojik yapılarına bakılarak yapılabilmektedir. Agregalar, kaynaklarına göre doğal agregalar ve yapay agregalar olmak üzere iki farklı şekilde, ağırlıklarına göre ise hafif, normal ve ağır agregalar olmak üzere üç farklı şekilde sınıflandırılabilir (Erdoğan, 2003; Akman, 1992). Bu bölümde bazı agrega sınıflandırmalarından bahsedilerek bunların beton özelliklerine çeşitli etkileri irdelenecektir. 15

16 Doğal agregalar Doğal agregalar, doğada bulunan agrega yatakları veya taş ocaklarından elde edilen malzemelerin kırılması, elenmesi ve yıkanması sonucunda elde edilen agregalardır (Erdoğan, 2004). TS 706 EN standardına göre ise doğal agrega, mekanik işlem dışında herhangi bir işleme tabi tutulmamış olan mineral kaynaklardan elde edilen agregaya denilmektedir (TS 706 EN 12620, 2003). En yaygın doğal agregalardan olan kum, çakıl ve kırmataş kökenleri olan jeolojik kütlelerin petrografik niteliklerine sahiptir (Akman, 1992). Doğal malzemenin ince olanı kum, iri olanı da çakıl olarak adlandırılmaktadır (Baradan, 1996). Hafif beton yapımında kullanılan pomza taşı ve bims gibi hafif agregalar ile ağır beton yapımında kullanılan hematit, magnetit, barit gibi demir cevherinden elde edilen agregalar da doğal agrega sınıfına girmektedir (Erdoğan, 2003). Jeolojik kaynağına göre agrega kayaçlarını magmatik, sedimanter ve metamorfik kayaçlar olarak üç farklı grupta sıralamak mümkündür. Bu gruplar da mineralojik ve kimyasal komposizyonu, tane büyüklüğü ve kristal yapısına göre kendi aralarında çeşitli alt gruplara ayrılırlar (Mehta ve Monteiro, 2006). Her ne kadar bazı agrega gruplarının betonda kullanımı yaygın olsa da, herhangi bir gruptaki agregaların beton yapımında kullanımının uygunluğu söylemek genelde pek de mümkün değildir (Neville ve Brooks, 2004). Tablo 3.10 ve 3.11 de beton yapımında kullanılan sedimanter ve magmatik kayaçların tipleri, agrega özellikleri ile ilgili özet bilgiler verilmektedir (Mehta ve Monteiro, 2006). Yaklaşık olarak Amerika da beton endüstrisinde tüketilen toplam iri agrega miktarının yarısı çakıl, diğer yarısı ise kırmataştır (Mehta ve Monteiro, 2006). Kırmataş agreganın yaklaşık üçte ikisi karbonat kayaçlarıdır. Geri kalan kısmı ise kumtaşı, granit, diorit, gabro ve bazalttır. Doğal silika kumu ince agrega olarak kullanılır. Kireçtaşı, karbonat kayaçlarının en yaygını olup saf kireç taşından saf dolomite kadar farklılık gösterebilir (Mehta ve Monteiro, 2006). 16

17 Tablo Sedimanter kayaçlardan elde edilen agrega özellikleri (Mehta ve Monteiro, 2006) Kayaç Tipi Genel Adı Ana Mineraller Agrega özellikleri Silis içeren kayaçlar Mekanik olarak çökelmiş konsolidasyonunu tamamlamamış veya fiziksel olarak konsolide olmuş durumda olanlar İri çakıl (> 75 mm) Çakıl (4,75 75 mm) Kum (0,075-4,75 mm) Silt (0,002-0,075 mm) Kil (<0,002 mm) Şeyl (çökelmiş kil) İri çakıl, çakıl ve kumda her türlü kayaç ve mineral bulunabilir. Siltler genelde silis ve silikat mineralleri içerir. Killer ise genelde bir grup kil minerali içerir. Jeolojik yaşlanma neticesinde oluşan bu kayaçlar sağlam kayaçlar ve mineraller içerdiği için Kil ve silt içermediği taktirde sağlam ve dayanıklı agrega olarak beton üretiminde kullanılabilir. Şeyller tabakalar halinde bulundukları ve suda dağıldıkları için pek tercih Mekanik olarak çökelmiş ve genelde kimyasal bağlayıcılarla konsolide olanlar Kimyasal olarak çökelmiş ve konsolide olanlar Karbonatlı kayaçlar Kumtaşı Gri kumtaşı Çört, çakmaktaşı Kireçtaşı Dolomit Dolomitli kalsit Kalsitli dolomit Kumlu kireçtaşı veya dolomit Arjilli kireçtaşı veya dolomit Ağırlıklı olarak kalsit Ağırlıklı olarak dolomit %50-90 kalsit, geriye kalanı dolomit %50-90 dolomit, geriye kalanı kalsit %10-50 si kumlu karbonatlı kayaçlar %10-50 si killi karbonatlı kayaçlar edilmezler. Genelde, kumtaşları yeterli kalitede agrega olabilirler. Karbonatlı kayaçlar gibi poroziteleri, su emme kapasiteleri, dayanım ve dayanıklılıkları çok geniş aralıkta olabilirler bu da agregaların özelliklerini etkiler. Yoğun çörtler iyi kalitede agrega olabilirler. Ağırlıklı olarak opal ve kalsedonik çörtler çimento hamurundaki alkalilerle reaksiyona girebilirler. Karbonatlı kayaçlar silisli sedimanter kayaçlara göre daha dayanıksızdırlar. Ama genelde yeterli kalitede agrega olarak kullanılabilirler. Kumtaşları gibi poroziteleri, su emme kapasiteleri, dayanım ve dayanıklılıkları çok geniş aralıkta olabilirler bu da agregaların özelliklerini etkiler. 17

18 Tablo Magmatik kayaçlardan elde edilen agrega özellikleri (Mehta ve Monteiro, 2006) Kayaç Tipi Genel Adı Ana Mineraller Agrega özellikleri Plutonik/intruzif veya derinlik kayaçları Sığ intruzif veya orta derinlikte oluşan kayaçlar Volkanik / yüzey veya ektruzif kayaçlar Granit Siyenit Diyorit Gabro/derinlik kayacı Diyabaz veya dolerit Felsit grubu: riyolit, trakit, andezit Bazalt Obsidiyen Katrantaşı Kuvars, feldspat, mika Feldspat, hornblend, biyotit Feldspat, hornblend, biyotit Hornblend, ojit, feldspat Orta ve küçük tane boyutlu gabro ile aynı mineraller Felsit grubundaki mineraller sırasıyla granit, syenit ve diyorit mineralleri ile aynıdır. Gabro ve diyabaz ın sığ veya orta derinlikte oluşanlarıdır. Yoğun, koyu ve yüksek silisli doğal cam %10 a kadar su içeren doğal cam Bu gruptaki kayaçlar aşağıdaki özelliklerinden dolayı mükemmel agregalardır; i) Orta ve iri büyüklükte tane dağılımlı, sağlam kayaçlar olup kırılma sonrası eş boyutlu (kübik) parçalar meydana getirirler, ii) Çok düşük porozite ve su emme kapasiteleri vardır, iii) Çimento hamurundaki alkalilerle reaksiyona girmezler. Mikrokristal veya doğal cam içerip çimento hamurundaki alkalilerle reaksiyona girebilen Felsit grubu haricindekiler ince taneli ve sert kayaçlar olup iyi agregalardır. Öte yandan, bazalt doğal cam içerse dahi genelde bazik olduğu için çimento hamurundaki alkalilerle reaksiyona girmez. Bu gruptaki agregalar genelde hafif beton üretiminde kullanılırlar. Perlit Ponza Tüf İnci parlaklığında olup %2-5 su içeren yüksek silisli volkanik bir cam Uzun boşluklar içeren gözenekli bir cam Volkanik külün konsolidasyonu sonucunda oluşan gözenekli cam 18

19 Yapay agregalar Beton üretimiyle ilgisi olmayan bir endüstri kolunun yan ürünü veya atık malzemelerden üretilen agregalar ile ısıl işlem sonucunda beton için kullanımı uygun olan agregalar yapay agregalar olarak adlandırılmaktadır (Erdoğan, 2003). TS 706 EN standardına göre yapay agrega, ısıl veya diğer uygulamaları ihtiva eden bir endüstriyel işlem sonucunda elde edilen mineral kökenli agregaya denilmektedir. Yüksek fırın cürufu, uçucu kül agregası, genleştirilmiş kil agregası ve genleştirilmiş perlit yapay agregalar içerisinde en çok kullanılanlarıdır (Erdoğan, 2003). Hafif yoğunluklu betonların ve dolayısıyla hafif duvar malzemelerinin üretiminde yapay agregalar bolca kullanılmaktadır (Akman, 1992). Kile bir döner fırın içerisinde C gibi sıcaklıklarda ısıl işlem uygulandığında sıcaklıktan dolayı çeşitli gazlar açığa çıkmakta ve bu gazların bir miktarının malzeme içerisine hapsolmalarıyla da gözenekler meydana gelmektedir. Böylece yoğunluğu kg/m 3 olan, hafif ve taneli bir malzeme oluşabilmektedir. Isıl işlem sonucunda elde edilen yuvarlak taneli genleştirilmiş kil agregaları da hafif beton üretiminde geniş oranda kullanılabilmektedir (Erdoğan, 2003). Termik santrallerde elektrik enerjisi üretebilmek için yakıt olarak kullanılan pulverize kömürün yanması sonucu oluşan ve baca tarafından çekilen gazlarla birlikte yukarıya sürüklenen adına uçucu kül denilen çok ince kül tanecikleri C sıcaklıkta pişirildiğinde, doğal çakıl ve kırmataş agregaya oranla daha hafif ve yuvarlak agrega taneleri haline getirilebilmektedir (Erdoğan, 2003). Yapay hafif agregalar ısıl işlem uygulanarak perlitten de üretilebilmektedir. Perlit bünyesinde % 2 6 civarında su içeren gri renge sahip volkanik bir kayaçtır. Bu kayacın parçalanması ve C arasındaki sıcaklıklarda pişirme işlemi uygulanması sonucunda malzeme genleşerek kat hacim artışı meydana gelmekte böylece düşük yoğunlukta beyaz renge sahip, çok geniş bir kullanım alanı olan bir malzeme oluşmaktadır (Erdoğan, 2003). Dolayısıyla bu tür bir malzemenin beton yapımında agrega olarak kullanılması 19

20 durumunda hafif ve ısı yalıtımı yüksek bir beton üretilebilmektedir. Perlitin ayrıca yapıların yalıtımında veya sıva işlerinde kullanımı da yaygındır (Erdoğan, 2004). Yoğunluğu 1120 kg/m 3 ten az olan agregalar hafif agregalar olarak sınıflandırılır ve hafif beton üretiminde kullanılır. Agreganın hafif olması boşluklu mikroyapıya sahip olmasından kaynaklanır. Pomza taşı, skoria veya tüf gibi agregalar doğal hafif agregalardır. Hafif agregaların yoğunluğu kg/m 3 arasında değişmektedir (Mehta ve Monteiro, 2006) Ağır agregalar Türk standartlarında beton agregaları ağırlıklarına göre tanımlanmamıştır. Ancak, literatürde beton agregaları özgül ağırlıklarına göre; 2,4-2,8 arasında olan agregalar normal, 2,4 ten daha az olan agregalar hafif, 2,8 den daha büyük olanlar ise ağır agregalar olarak sınıflandırılmaktadır. Kum, çakıl, kırmataş gibi normal ağırlıklı agregalarla yapılan betonlara, normal ağırlıklı beton yerine sadece beton denilmekte, genleştirilmiş kil, genleştirilmiş perlit, bims gibi hafif agregalarla üretilen betonlara da hafif beton denilmektedir. Ağır agregalarla ise yoğunluğu yüksek olan ağır beton üretilmekte ve bu beton, karşı ağırlık gerektiren bazı köprülerde veya nükleer santrallerde radyasyonun yayılmasını önlemek amacıyla özel beton olarak kullanılagelmektedir. Ağır betonların birim ağırlığı kg/m 3 arasında değişmektedir (Mehta ve Monteiro, 2006). Tablo 3.12 de ağır agregaların bileşimi ve yoğunluğu verilmiştir. Tablo Ağır Agregaların Bileşimi ve Yoğunluğu (Mehta ve Monteiro, 2006) Agrega tipi Mineral kimyasal Saf mineralin özgül Yoğunluk bileşimi ağırlığı (kg/m 3 ) Witherite BaCO 3 4, Barit BaSO 4 4, Manyezit Fe 3 O 4 5, Hematit Fe 2 O 3 4,9 5, Lepidocrocite Sulu demir cevheri (% 8 12 su içeren) 3,4 4, Geotit Sulu demir cevheri (% 8 12 su içeren) 3,4 4, Limonit Sulu demir cevheri (% 8 12 su içeren) 3,4 4,

21 İlmenit FeTiO 3 4, Ferrofosfor Fe 3 P, Fe 2 P, FeP 5,7 6, Demir agregası Fe 7, Ağır agregaların yoğunluğu normal agregaların yoğunluğundan daha yüksektir. Ağır agrega için uygun doğal kayaçlar baryum minerali, demir cevheri ve titanyum cevheri içerir. Ferrofosfor cürufu sentetik bir üründür ve ağır agrega olarak kullanılabilir. ASTM C 637 ve C 638 Amerikan Standardları na göre ferrofosfor agregası beton yapımında kullanılırsa yanıcı toksik gazlar açığa çıkabilir ve bunun sonucunda yüksek basınçlar oluşabilir. Sulu demir cevherleri ve boron mineralleri ağır beton yapımında kullanılan agregalardır. Boron nötron yayılımının engellenmesinde oldukça etkilidir. Demir agregaları da betonda ağır agrega olarak kullanılabilir. Ancak agreganın yoğunluğu arttıkça betonda ayrışma olma olasılığı da artar (Mehta ve Monteiro, 2006) Agregaların Özellikleri Tane Boyut Dağılımı Agrega değişik boyutlu tanelerden oluşmakta, belirli büyüklükteki taneler agrega içerisinde belirli miktarda bulunmaktadır. Granülometri bileşimi agrega içerisinde boyutları belirli sınırlar içerisinde bulunan tanelerin ne oranlarda olduğunu göstermektedir (Baradan, 1996). Agrega granülometrik eğrisi elek analizi yapılarak belirlenebilir. Amerika standartlarında 4,75 mm açıklıklı elek üzerinde kalan agrega iri agrega, 4,75 mm açıklıklı elekten geçen agrega ise ince agrega olarak tanımlanmıştır (Mindess ve Young, 1981). Türk standardlarında ise bu ayırım 4 mm olarak belirtilmiştir. TS 706 EN ya göre elek açıklıkları en büyükten en küçüğe doğru 31,5 mm, 16 mm, 8 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm ve 0,25 mm olarak sıralanmaktadır. Agrega tane boyut dağılımının belirlenmesi aşamasında agrega taneleri büyüklüklerine göre farklı gruplara bölünmekte ve her gruptaki agrega tanelerinin toplam ağırlıklarının tüm agrega yığınının toplam ağırlığına bölünmesiyle ne oranda yer aldığı belirlenmektedir (Erdoğan, 2004). Agreganın tane boyut dağılımı, bir başka deyişle gradasyonu işlenebilir bir betonun çimento hamuru ihtiyacını belirlediği için önemli bir özelliktir. Beton bileşenlerinden çimento 21

22 pahalı bir bileşen olduğundan çimento hamuru miktarını azaltmak betonun maliyetini de düşürecektir. İri agreganın en büyük tane boyutu da betonun çimento hamuru miktarını etkiler çünkü iri agreganın optimum gradasyonu maksimum tane boyutuna bağlıdır. İri agrega tane boyutu çok yüksek olursa taşıyıcı elemanın herhangi bir kesitindeki beton taşıyıcı elemanı temsil edemez. Bunun için iri agreganın maksimum tane boyutu, taşıyıcı elemanın en küçük boyutunun 1/5 inden daha büyük olmamalıdır. Döşemelerde ise maksimum agrega tane boyutu, döşeme kalınlığının 1/3 ünden yüksek olmamalıdır (Mindess ve Young, 1981) Birim Ağırlık Agregalar tane yığınlarından oluşmakta ve belirli bir hacmi dolduran agreganın ağırlığı birim ağırlık olarak adlandırılmaktadır. Birim ağırlık yerleştirme şekline dayanarak sıkışık veya gevşek birim ağırlık olarak tanımlanmaktadır. Agrega birim ağırlığı, belirli bir hacme sahip olan kabı dolduran agrega tanelerinin toplam ağırlığının (sıkışık veya gevşek ağırlığının) kabın hacmine bölünmesi ile bulunmaktadır (Erdoğan, 2004); U W V a (26) U : Agrega birim ağırlığı, (gr/cm 3, kg/m 3, ton/m 3 ) V : Agreganın doldurulduğu kabın hacmi W a : Kap içerisine konulan agrega ağırlığı (gr, kg, ton) Bazı doğal agregaların birim ağırlıkları Tablo 3.13 de verilmiştir. Tablo Bazı doğal agregaların ortalama birim ağırlıkları (Erdoğan, 2004) Birim ağırlık, kg/m 3 Agrega Nem durumu Gevşek Sıkışık Kuru Kum Nemli Çakıl Kuru veya nemli Kuru Karışık agrega Nemli Kırma taş Kuru veya nemli

23 Özgül Ağırlık Agrega ağırlığının gerçek eşdeğer su hacminin ağırlığına oranı özgül ağırlık olarak tanımlanmakta ve bu değer betonda yer alabilecek malzemenin hesaplanmasında kullanılmaktadır (Baradan, 1996; Erdoğan, 2003). Betonda kullanılan su, çimento ve agregaların özgül ağırlıkları bilindiği takdirde, bu malzemelerin 1 m 3 içerisindeki hacimleri hesaplanabilmektedir. Agregaların özgül ağırlığı ise aşağıdaki formülle bulunmaktadır; S dyk ( V s W s V i V p V p w ) w (27) : Agreganın tamamen kuru (fırında kurutulmuş) ağırlığı, gr : Su geçirgen boşlukların hacmi : Agregadaki katı kısımların hacmi : Su geçirmeyen boşlukların hacmi : Suyun özgül ağırlığı Su Emme Agregaların su emme kapasitesi, betonun ve betonda kullanılan agreganın dayanıklılığı için büyük önem taşımaktadır. Su emme kapasitesi yüksek olan gözenekli agregaların içerisine su kolayca girebilmekte ve soğuk havalarda buz haline dönüşerek genleşmeye ve çatlamaya sebebiyet verebilmektedir. Agrega numunesinin su emme kapasitesi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilmektedir (Erdoğan, 2003); Wdyk Wk Su emme kapasitesi, %= x100 W k (28) W dyk : Agreganın doygun yüzey kuru ağırlığı W k : Agreganın tamamen kuru (fırın kurusu) ağırlığı 23

24 Yassılık İdeal agrega tanesi şekil olarak küresele yakındır. Çoğu doğal kum ve çakıl bu şekle yakındır. Kırmataş agregası ise daha çok köşeli ve yüzeyi pürüzlüdür. Agrega şekli beton karışımının işlenebilirliğini ve dayanımını doğrudan etkilemekte ve yüzey alanının hacmine oranı yüksek olan agregalar beton karışımının işlenebilirliğini azaltabilmektedir. Yassılık indeksi, yassı tanelerin toplam ağırlığının deneye tabi tutulan toplam malzeme ağırlığına oranı olarak hesaplanmakta ve deneye tabi tutulan kuru malzeme ağırlığının yüzdesi olarak verilmektedir (Neville, 1983). Bu deney yöntemi, tane büyüklüğü 4 mm den küçük veya 80 mm den büyük agregalara uygulanmamaktadır (TS 9582 EN 933 3, 1999). Agrega yassılık indeksi tayininde öncelikle tane büyüklüğü sınıfının belirlenmesi gereklidir. Farklı tane sınıflarında olan agregalar farklı silindirik çubuklu eleklerde elenerek yassılık değerleri belirlenir Agrega kaynaklı beton dayanıklılık problemleri Genel olarak, beton içerisinde agregaların reaktif olmadıkları kabul edilse de, agregalar birtakım fiziksel ve kimyasal olaylardan etkilenebilmekte ve böylece betonun dayanıklılığını olumsuz yönde etkileyebilmektedirler. Agrega taneleri ıslanma-kuruma, donma-çözülme ve ısınma-soğuma gibi fiziksel olaylardan etkilenebilmektedirler. Böylesi fiziksel olaylardan etkilenen agregaları genel olarak iki gruba ayırmak mümkündür. Birincisi kırılgan kumtaşları ve yumuşak kalkerler gibi parçalanarak bütünlüğünü kaybeden ve negatif hacim değişikliklerine yol açan agregalardır. İkinci grupta ise suya maruz kaldıklarında hacimsel kararlığını koruyamayan kil içeren kalkerler ile gözenekli çörtler sayılabilir (Erdoğan, 2003). TS 706 EN ye göre agreganın su emme oranı %1.0 ın altında ise fiziksel olaylara dirençli kabul edilmektedir. Diğer taraftan reaktif silika veya reaktif karbonat içeren bazı agregalar zamanla bazı çimento bileşenleri ile kimyasal olarak da tepkimeye girebilmekte ve hacimsel kararlılıklarını kaybedebilmektedir. Bu tepkimeler alkali-silika reaksiyonu ve alkali-karbonat reaksiyonu olarak tanımlanmaktadır. Tablo 3.14 de reaktif agregalar, fiziksel şekilleri ve kayaç tipleri 24

25 görülmektedir. Opal, doğal silikanın en reaktif formudur. Hem amorf hem de boşlukludur. Sodyum veya potasyum içeren borosilikat da çok reaktif bir malzemedir (Mindess ve Young, 1981). Tablo Reaktif agregalar, fiziksel şekilleri ve kayaç tipleri Reaktif Bileşen Fiziksel Şekil Kayaç Tipleri Opal Amorf Silisli (opalinli) kireçtaşları, çörtler, şeyler, flintler Silika camı Amorf Volkanik camlar (riyolit, andezit, dasit ve tüfler; sentetik camlar) Kalsedon Zayıf, kristalli kuartz Silisli kireçtaşları ve kumtaşları, çörtler ve flintler Tridimit, kristobalit Kristal Opalinli kayaçlar, seramikler 3.3. Su Kuartz Kristal Kuartzit, kumlar, kum taşları ve metamorfik kayaçlar (granit gibi) Beton malzemelerin karılmasında kullanılan karışım suyu iki önemli görevi yerine getirmektedir. Birincisi, çimento ve agrega tanelerinin yüzeyini ıslatarak ve böylece yağlayıcı etki yaratarak, beton malzemelerinin kolayca karıştırılabilmesini, taze betonun yerleştirilebilmesini ve sıkıştırılabilmesini, yani işlenebilmesini sağlamak ve ikincisi toz halindeki çimento taneleriyle birleşerek ortaya çıkan çimento hamurunda hidratasyon denilen kimyasal reaksiyonları sağlamaktır (Popovics, 1979; Uyan ve Kılınç, 2003) Karışım Suyu Uygunluğu Karışım suyu beton yapımında önemli bir bileşen olmasına rağmen bu konuda çok fazla bilgi mevcut değildir (Mindess ve Young, 1981; Uyan ve Kılınç, 2003). Karışım suyu uygunluğu hakkında bu zamana kadar kullanılagelen kural şudur: Eğer su içilebilirse beton yapımında karışım suyu olarak kullanılabilir. Öte yandan, bu açıklama en temel açıklama olarak da görünmemektedir (McCoy, 1964; Uyan ve Kılınç, 2003). Çünkü düşük oranlarda şeker ve limon tuzu tatlandırıcı içeren bazı sular içme suyu olarak uygun olabilse de, karışım suyu olarak uygun değildir. Tersine, beton yapımı için uygun olan su içme suyu olarak uygun olmayabilir. Yaklaşım olarak bazı yazarlar beton yapımı için kullanılan suyun temiz olması ve zararlı maddeler içermemesi gerektiğini ileri sürmüşlerdir. Atıklara maruz kalmayan kaynaklardan elde edilen sular, tuzlu ve acımsı bir tada sahip olmadıkları sürece karışım suyu 25

26 olarak kullanılabilir (Troxell, Davis, Kelly, 1968; Uyan ve Kılınç, 2003). Atıklara maruz kalan sular da mutlaka test edilmelidir. Karışım suyu, betonun sertleşme oranı, mukavemeti ve durabilitesini etkileyecek, çiçeklenme meydana getirecek ve donatının paslanmasını sağlayacak yabancı maddeler içermemelidir (Taylor, 1977; Uyan ve Kılınç, 2003). Karışım suyu, herhangi bir kötü tat, koku içermiyorsa, içiliyorsa genelde beton yapımında uygundur (Popovics, 1979; Uyan ve Kılınç, 2003). Diğer taraftan, içilemeyen birçok su yine beton üretiminde kullanılabilir. İçme suyunun karışım suyu olarak uygun olmadığı bir durum da alkali agrega reaksiyonu tehlikesi ve suyun yüksek konsantrasyonda sodyum ve potasyum içermesidir (Neville, 1981; Uyan ve Kılınç, 2003). Koyu renk veya kötü koku, karışım suyunda her zaman zararlı maddelerin varlığı anlamına gelmez. Karışım suyu, betonun prizine ve ileriki yaşlarda kimyasal dayanıklılığına negatif etkide bulunmamalıdır (Akman, 1987; Uyan ve Kılınç, 2003). Karışım suyu asidik olmamalı, su içinde bulunan bazı anyonlar ve katyonlardan da (Cl - --, CO 3 NH + 4, Mn ++, Mg ++, vb. maddeler) kaçınılmalıdır. Prizi geciktirmeleri açısından ağır metal tuzları ve oksitler de (kurşun ve çinko tuzları gibi) beton özelliklerini olumsuz yönde etkileyebilirler.. Literatürde madeni tuz miktarlarında da kısıtlamalar vardır. Yüzen madeni tuzlar için litrede 2 gram, çözünmüş madeni tuzlar için ise 15 gram sınırları önerilmiştir. Öte yandan, içme suyu içerisindeki organik maddelerden de kaçınmak gerekir. Çürümüş bitki kökleri ve bitkiler hümik asitlere dönüşür. Aynı şekilde diğer organik yağlar da asit etkisindedirler. Şeker, nişasta gibi maddeler betonda prizi geciktirerek önemli problemler yaratabilir. Bu maddelere kanalizasyon sularının karıştığı kuyu sularında rastlayabiliriz. Kurak bölgelerde sular, betona zarar verebilecek yüksek oranda çözünür tuzlar içerebilirler (Eglinton, 1987; Uyan ve Kılınç, 2003). Yüzey suları çimentonun priz süresi üzerinde geciktirici bir etkisi olan humik maddeler, yersuları ise yüksek oranlarda çözünür tuzlar içerebilir. Benzer olarak suyun içerisinde yüksek oranlarda alkali metal, sodyum ve potasyum, karbonat ve bikarbonatların bulunması da alkali silika reaksiyonu na neden olabilir. Asitlik, örneğin çözünür karbondioksitten dolayı, çimentonun alkaliliğiyle hızlıca nötrleşir. ph ı 4,5 dan az olan doğal sularda Portland çimentolarının prizini geciktiren hümik asitler, ph değeri 9 un üstündeki sular da alkali karbonatlar bulunabilir. Suyun kimyasal analizi alkali karbonatların 26

27 varlığını gösterecektir ancak hümik maddelerden şüphelenildiğinde çimento ve betonda fiziksel testler yapılmalıdır. BS 3148 de çimentonun priz süresi ve beton küplerin basınç mukavemeti ile ilgili değerler verilmiştir. Bu değerler, beton için su uygunluğu, mukavemette izin verilen azalmalar ve prizdeki gecikmeler hakkında bilgi verir. Bu deneyler, suyun kalitesi (özelliği) hakkında herhangi bir şüphe olduğu zaman mutlaka yapılmalıdır. Ancak işlem görmemiş sular, yüzey suları, bileşiminde sezonsal değişikliklere maruzdurlar. Uzun aralıklarla yapılan başlangıç testleri su kalitesini belirleyebilmek için yeterli olmayabilir. Bu yüzden, fiziksel durumunda değişiklikler görüldüğü zaman testler tekrarlanmalıdır. Bu değişiklikleri de yosun ve bazı diğer organik maddelerin varlığından anlayabiliriz. Kimyasal maddeler üreten fabrikaların kanalizasyonlarının boşaltıldığı kaynaklardan alınan suyu beton karışım suyu olarak kullanma konusunda çok özenli davranmak gerekir (Beton Laboratuar Deneyleri, 1985; Uyan ve Kılınç, 2003). Bu durumda ilk dikkat edilecek husus suyun kokusu, rengi çalkalandığında bulanıklığının uzun zaman kalmasıdır. Üzerinde yağ tabakasının varlığı gözle ayırdedilebilen sular beton karışım suyu olarak elverişli değildir. Yerel kaynaklardan sağlanan su test edilmeksizin beton karışım ve bakım suyu olarak kullanılabilir (Waddell, 1962; Uyan ve Kılınç, 2003). Akıntı veya gölden sağlanan su da kullanılabilir. Ancak bu suların da temiz olması gerekir. Durgun veya çamurlu havuzlardan ve bataklıklardan sağlanan sularla beton üretmekten kaçınılmalıdır. Suda çimen, kök, çamur ve diğer organik maddeler bulunmamalıdır. Bir dereden alınan ve içinde organik maddeler taşıyan su, kullanılmasına hazırlık olmak üzere bir dinlenme havuzunda dinlendirilmeli veya herhangi bir yöntemle temizlenmelidir (Bayazıt, 1988; Uyan ve Kılınç, 2003). Karışım suyu için 2000 ppm lik bir bulanıklılık limiti konulmuştur. Su temiz olduğu, tuzumsu ve acımsı bir tadı olmadığı zaman karışım suyu olarak kimyevi deneyler yapmadan kullanılabilir. Sert sularda yüksek bir sülfat konsantrasyonu olması daha yüksek olasılık dahilindedir. Arazide çalışırken bütün su kaynaklarından usulüne uygun şekilde numuneler alınmalıdır. Karışım suyunun beton yapımında uygunluğu deneysel yöntemlerle de belirlenebilmektedir (Erdoğan, 1995; Uyan ve Kılınç, 2003). Uygulamada en çok kullanılan 27