Barit Agregalı Ağır Betonların Betonarmede Kullanılabilirliği

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 011, Elazığ, Turkey Barit Agregalı Ağır Betonların Betonarmede Kullanılabilirliği Ş. Kılınçarslan 1, S. Sancar, İ. Uzun 3 1 Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, e-posta: seref@tef.sdu.edu.tr Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, e-posta: seycar@tef.sdu.edu.tr 3 Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, e-posta: iuzun@tef.sdu.edu.tr Usability of Heavy Concretes of Barıt Agrega in Reinforced Concrete Abstract Recently, besides another utilization fields, most commonly heavy concretes are used in order to be protected from the radiation which arises in radioactive regions. The selection of heavy aggregates which are used in the manufacture of these concretes, determination of their combinations, productions and their accommodations require different procedures and special care. Also it is a reality that investigations on these concretes are very limited. On the concrete archetypes which are manufactured in this work, pressure durability, flexibility durability and elasticity modules measurement experiments are made. It is seen that with the results of experiments acquired are compatible with BS40 class and standard values of formulas found in TS 500 are appropriate for barite concretes and also it is seen that these formulations can be utilized for barite concretes. Keywords Barite, heavy concrete, reinforced concrete. Betonların birim kütleleri arttıkça radyasyona karşı koruyucu etkileri de o oranda artmaktadır. Bu nedenledir ki; birim kütleleri 300 kg/m kg/m 3 arasında değişen geleneksel betonlarla radyasyona karşı aynı derecede korunabilmek için koruyucu beton perde kalınlığının daha büyük olması gerekmektedir [4]. Radyasyon kalkanı olarak kullanılan ağır betonun bileşiminde karma ve hidratasyon suyunda hafif elementler, agregasında ise ağır elementler bulunmaktadır En çok kullanılan ağır agrega barittir. İnşaatlarda kullanılacak betonun aynı zamanda yönetmeliklerde belirtilen fiziksel ve mekanik standartlarda olması ve bu özelliklerine göre malzeme davranışı ve betonarme hesaplamaları için taşıma gücünün belirlenmesi gereklidir. Baritli ağır betonun gama ışınlarını yutma kapasitesi, barit agrega yüzdesine ve betonun birim ağırlığına göre değişir [5]. I. GİRİŞ Özel beton tiplerinden bir tanesi ağır betonlardır. Ağır betonlar uzun zamandan beri üretilmekle beraber ilk kullanımları, kayma eğilimi gösteren ve devrilmeye karşı emniyette olmayan bazı özel yapıların emniyetlerini sağlamak amacına yönelik alanda sınırlı kalmıştır [1]. Ancak nükleer enerjinin gelişmesi özellikle nötron ve γ gibi cisimlerin içine girebilme yetenekleri yüksek olan öldürücü ışınlara karşı biyolojik koruyucu bir zırh oluşturma zorunluluğuna karşı ağır betonlar kullanılmıştır []. Ağır betonların zırh amaçlı kullanılmasıyla zırh duvarlarının boyutlarında azalma sağlanmıştır [3]. Ağır betonları geleneksel betonlardan ayırt eden en önemli husus; üretimlerinde kullanılan ağır agregaların farklı oluşudur. Kullanılan agregaların birim kütlelerinin geleneksel agregaların birim kütlelerine göre daha büyük oluşu (>3500 kg/m 3 ) bu betonların birim kütlelerinin geleneksel betonların birim kütlelerinden (800 kg/m 3 ) daha büyük olmasına neden olmaktadır. Gerçekten teknik literatürde birim kütleleri genellikle 800 kg/m 3 den daha büyük olan betonlar ağır beton olarak adlandırılmaktadır..1. Barit II. MATERYAL VE YÖNTEM Ağır betonda kullanılan baritin özgül ağırlığı 4, 4,6 kg/cm 3 olup, sertliği,5 3,5 arasındadır. Erime noktası 1580 C dir. Su içinde ve soğuk asit içinde erimeyen baritin, kaynayan sülfürik asit içerisinde hafifçe eriyebileceği tespit edilmiştir. Kimyasal bileşimi BaSO 4 olan barit en çok bilinen baryum mineralidir. Beyaz, opak veya yarı şeffaf görünümlüdür. İçerdiği demirden dolayı kırmızı ve kahverengi, karbonlu maddelerden dolayı siyah, sarı, kırmızı ve mavi renklerde görülebilir. Metalik olmayan minerallerin en ağır olanıdır. Özgül ağırlığı 4,5 gr/cm 3, sertliği,3,5 arasındadır [6]. Barit agregalı ağır betonlar; kayma ve devrilmeye karşı emniyette olmayan yapılarda ağırlığından dolayı kullanılmakla beraber, radyoaktif maddelerin yaydığı nükleer ışınlardan özellikle cisimlerin içine girebilen öldürücü nötron ve γ ışınlarına karşı korunmak için gerçekleştirilen yapılarda kullanılır [7]. Hastanelerin ışın tedavi ve radyografi tesisleri, nükleer enerji santrallerinin koruyucu perdeleri, radyoaktif 87

2 Barit Agregalı Ağır Betonların Betonarmede Kullanılabilirliği maddelerin saklandığı ön gerilmeli beton reaktör siloları, elektron depolama devreleri, köprü ayakları, beton ağırlık baraj gövdeleri, askeri mühimmat depo duvarları, askeri sığınaklar, istinat duvarları, su altı petrol boru hatları ve petrol sondaj kuyusu çeperleri ağır betonların kullanım alanlarındandır [8]. Türkiye barit yatakları Antalya, Konya, Isparta, Kütahya, Muş, K. Maraş, Trabzon, Giresun, Gümüşhane, Bitlis ve Diyarbakır illerinde bulunmakla beraber büyük bir kısmı Konya, Antalya ve Muş illerinde yer almaktadır [9]. Türkiye rezervleri hakkında elde kesin rakamlar olmamakla beraber 0 milyon ton görünür muhtemel, 0 milyon ton mümkün olmak üzere 40 milyon ton civarında bir rezervin olduğu kabul edilebilir. Ayrıca buna 0 milyon tonluk bir potansiyel rezervinde ilave edilmesi mümkündür. Bu durumda Türkiye'nin Dünya rezervleri içindeki payının % 4 civarında olduğu kabul edilebilir. Son olarak da Batman'ın Sason ilçesin de ton rezerv bulunmuştur [10]...Çimento Çalışmalarda Isparta da bulunan Göltaş Çimento Fabrikası nda üretilmiş PÇ 4,5 (CEM I, TS-EN 197 1) çimentosu kullanılmıştır..3. Donatı Betonarme yapı elemanlarında etriye, pilye, düz, mesnet, şapo ve çiroz demirleri vardır. Bu demirlerin yapı elemanının içine yerleştirilmesine donatı denir. Kirişlerde kullanılan etriyelerin yapımında S0 çelik sınıfı, 8 donatı kullanılmıştır..5.beton Deneyleri Üretilen betonların basınç, eğilme ve elastisite modülü katsayıları hesaplanmıştır. Basınç dayanımı deneyleri betonlar 8 günlük iken yapılmıştır..6. Basınç dayanımı deneyi Tahribatlı test yönteminde tek eksenli basınç deneyi yapılmıştır. Bu deney için S.D.Ü. Teknik Eğitim Malzemeleri ve Beton Teknolojisi Laboratuarında bulunan 300 ton kapasiteye sahip tek eksenli basınç presi kullanılmıştır. Basınç deneylerinde yükleme hızı 0,35 Mpa olarak sabit tutulmuştur. Numunelerin basınç Denklem.1 de yerine konarak hesaplanmıştır. P A : Basınç dayanımı P (.1) A : Kırılma yükü (KN) : Numunenin yük doğrultusundaki kesit alan.7. Eğilme dayanımı deneyi (cm ) Eğilme deneyi simetrik iki tekil yük etkisinde basit kiriş üzerinde yapılmıştır. Bu deney için S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Malzemeleri ve Beton Teknolojisi Laboratuarında bulunan Şekil.1 de ki 15 ton kapasiteli yükleme hızı ayarlanabilen test cihazı kullanılmıştır..4. Beton Karışım Hesapları Barit agregalı betonların (BAB) üretiminde Isparta Şarkîkaraağaç bölgesin de çıkartılan barit agregası kullanılmıştır. Çalışmalarda kullanılan agrega boyutu 4 mm. den küçük olanlara ince malzeme ve 4 mm. den büyük olanlara kalın malzeme denilmiştir. TS 80 de [11] belirtilen karışım suyu ve hava miktarları alınarak 1m 3 sıkıştırılmış betonda bulunacak beton bileşenleri hesaplanmıştır. 3 Karışımda 1 m için kullanılan miktarlar Çizelge.1 de verilmiştir. Şekil ton kapasiteli yükleme hızı ayarlanabilen test cihazı Yükleme simetrik iki noktadan uygulanmıştır. Şekil. de ki gibi iki noktadan yüklemeli deneylerde maksimum moment belirli bir aralıkta değer almaktadır. Bu aralıkta kesme kuvveti sıfırdır. Salt eğilme hali söz konusudur. Çizelge.1 Üretilecek betonların kodu ve karışım malzeme miktarları Numune Adı 1 m 3 beton bilişimindeki malzeme miktarları Su Çimento Kim. K. S/Ç İnce Ag. Kaba Ag. İnce Barit Kaba Barit BAB , Şekil.. simetrik iki tekil yük etkisinde basit kiriş 88

3 Ş. Kilinçarslan, S.Sancar, İ. Uzun Numunelerin eğilme Denklem. de yerine konularak hesaplanmıştır. : Eğilme Dayanımı P : Kırılma Yükü L : Numunenin Genişliği (cm) b : Numunenin Eni (cm) h : Numunenin Boyu (cm) P.L (.) b.h Etriyesiz kirişlerde beton kesitinin kesme kuvveti taşıma gücü hesabı TS500/84 de [1] verilen şu formüllerle hesaplanır. Vcr 0,65.f ctd.b w.d (.3) V c 0,80.V (.4) V cr : Kesitin kesmede çatlama dayanımı V c : Betonun karşıladığı kesme kuvveti f ctd : Betonun çekme dayanımı b w.: Kirişin gövde genişliği d...: Etkili derinlik.8. Elastisite modülü katsayısı Elastisite modülü deneyi S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Malzemeleri ve Beton Teknolojisi Laboratuarında yapılmıştır. Deneyde, yarı çapı 15cm ve boyu 30cm silindir numune kullanılmakta ve basınç dayanımı deneyinde olduğu gibi, deney presinde yüklemeye tabi tutulmaktadır. Yükleme işlemine başlamadan önce, numunenin üzerine şekil.3 deki mekanik veya elektriksel yöntemle deformasyon ölçücü cihazlar yerleştirilmektedir. Yükleme hızı,5 kgf / cm /saniye olarak uygulanmıştır. Her 1000 kg lık kuvvette ölçüm yapılmıştır. Her yüklemeden sonra iki boy uzunluğu ve bir en genişlemesi ölçülmüştür. cr Bütün malzemeler, üzerine gelen yükün tipinden ve büyüklüğünden etkilenerek belirli ölçüde şekil değiştirme (deformasyon) göstermektedirler; basınç altında kısalmakta; çekme yükleri altında uzamaktadırlar. Malzemelerin bir birim uzunluğunun yük altında gösterdikleri uzama veya kısalma, birim deformasyon olarak belirtilmektedir. Birim deformasyon Denklem.6 da ki formül ile hesaplanmaktadır: L : Birim deformasyon (cm/cm) : Toplam deformasyon (cm) L : Birim deformasyon (cm) L (.5) L Elastisite modülü deneyi S.D.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Malzemeleri ve Beton Teknolojisi Laboratuarında yapılmıştır. Deneyde, yarıçapı 15cm ve boyu 30cm olan silindir numune kullanılmakta ve basınç dayanımı deneyinde olduğu gibi, deney presinde yüklemeye tabi tutulmaktadır. Yükleme işlemine başlamadan önce, numunenin üzerine mekanik veya elektriksel yöntemle deformasyon ölçücü cihazlar yerleştirilmektedir. Yükleme hızı,5 kgf/cm /saniye olarak uygulanmıştır. Her 1000 kg lık kuvvette ölçüm yapılmıştır. Her yüklemeden sonra iki boy uzunluğu ve bir en genişlemesi ölçülmüştür. TS 500/84 e [1] göre j günlük betonun elastisite şu şekilde hesaplanabilir; E 350. f N / mm cj ckj (Ecj f ckj kg / cm ) III. ARAŞTIRMA BULGULARI 3.1. Basınç Dayanımı Sonuçları (.6) Tahribatlı test yönteminde tek eksenli basınç deneyi yapılmıştır. Bu deney için 300 ton kapasiteye sahip tek eksenli basınç presi kullanılmıştır. Deneyler üç numune üzerinde gerçekleştirilmiş, küp ve silindir numunelerin basınç dayanımı ortalama deney sonuçları Çizelge 3.1 de verilmiştir. Çizelge 3.1. Numunelerin basınç Ağırlık (kg) BAB Küp numunelerin basınç 1,11 64,79 Silindir numunelerin basınç 18,44 4,776 Şekil.3. Elastisite modülü ölçen test cihazı 89

4 Barit Agregalı Ağır Betonların Betonarmede Kullanılabilirliği 3.. Eğilme Dayanımı Sonuçları Eğilme deneyi simetrik iki tekil yük etkisinde basit kiriş üzerinde yapılmıştır. Bu deney için 15 ton kapasiteli yükleme hızı ayarlanabilen test cihazı kullanılmıştır. Yükleme simetrik iki noktadan uygulanmıştır. İki noktadan yüklemeli deneylerde maksim moment belirli bir aralıkta değer almaktadır. Bu aralıkta kesme kuvveti sıfırdır. Salt eğilme hali söz konusudur. Eğilme deneyi için kirişin içine konulacak etriye iki farklı şekilde hazırlanmıştır. Kirişlerin bir kısmının içine beş etriye ve bir kısmının da içine üç etriye kullanılmıştır. Bir kısım numunelerde donatısız olarak üretilip eğilme deneyine tabi tutulmuştur. Deneyler üçer numune üzerinde gerçekleştirilmiş olup, eğilme dayanımı ortalama deney sonuçları Çizelge 3. de verilmiştir. Çizelge 3.. Numunelerin eğilme dayanımı sonuçları Silindir numunelerin basınç ( f ck ) Donatısız kirişlerin çekme kuvveti ( f ctd ) Silindir numunelerin elastisite modülü değerleri ( E c ) 3.3. Elastisite Modülü Deney Sonuçları Elastisite modülü deneyinde, silindir standart numune kullanılmakta ve basınç dayanımı deneyinde olduğu gibi, deney presinde yüklemeye tabi tutulmaktadır. Yükleme işlemine başlamadan önce, numunenin üzerine mekanik veya elektriksel yöntemle deformasyon ölçücü cihazlar yerleştirilmektedir. Yükleme hızı,5 kgf/cm /saniye olarak uygulanmıştır. Deneyler üç numune üzerinde gerçekleştirilmiş, silindir numunenin elastisite deney sonuçlarının ortalaması Çizelge 3.3 de verilmiştir. Çizelge 3.3. Numunelerin elastisite modülü sonuçları Barit agregalı silindir numunelerin elastisite modülü değerleri ( E c ) Deney Sonuçları TSE 500/84 4, ,66 14,5 36,46 34,55 BAB 36,460 Deney sonuçlarının, TS500/84 [1] verilen formüllerin sonuçlarıyla karşılaştırılması Çizelge 3.4 te verilmiştir. Çizelge 3.4. Sonuçların karşılaştırılması Kırılma BAB Yükü (kg) Donatısız kirişlerin eğilme 810 4,06 Üç etriyeli kirişlerin eğilme Dayanımları ,49 Beş etriyeli kirişlerin eğilme ,34 IV. SONUÇLAR Barit agregası kullanılarak elde edilen ağır betonlarda etriye kullanılmaması durumunda eğilme nın çok düşük olduğu, etriye oranı arttıkça eğilme dayanımı değerlerinin de arttığı görülmektedir. Bu sonuç, ağır beton ile donatı arasında bir aderansın oluştuğu ve barit agregalı betonların betonarme yapılarda kullanılabileceğini göstermektedir. Deneylerle elde edilen sonuçlar Çizelge 3.4. de verilmiştir. Aynı çizelgede basınç dayanımına bağlı TS 500/84 de verilen formüller kullanılarak BS40 sınıfına ait betonların, çekme kuvveti ve elastisite modulü değerleri hesaplanarak verilmiştir. Çizelge 3.4. de deneysel ve formüller ile bulunan değerlerin birbirine çok yakın olduğu görülmektedir. TS500 de bulunan formüllerin ağır beton sınıfına giren baritli betonlar içinde uygun olduğu, bu formülasyonların baritli betonlar içinde kullanılabileceği görülmüştür. Ancak bu formüllerin diğer ağır agrega ile üretilen betonlarda kullanılıp veya kullanılamayacağına deney sonuçlarına bakarak karar verilebilir. Normal betonlar baz alınarak TS500 de formüle edilen betonarme yapılarda kullanılacak betonların karakteristik özellikleri ile baritli ağır betonların deney değerlerinin yakın çıkması, ülkemizde barit rezervinin yüksek olması son derece önemlidir. Ağır betonlar için bu deney sonuçları çok büyük bir önem arz etmektedir. KAYNAKLAR [1] Topçu, İ.B., 006. Beton Teknolojisi. Uğur Ofset, 570, s., Eskişehir. [] Akyüz, S., Gamma Işınlarından Korunmada Barit Agregalı Ağır Beton, İTÜ Dergisi, Cilt 35, Yıl 35, Sayı 5, Sayfa 59-69, İstanbul. [3] Akgün, Y, Durmuş, A, Durmuş, A, Barit Agregasıyla Üretilen Ağır Bir Betonun Özelikleri., Proje Kod No: [4] Gürsoy, Y., Doğu Karadeniz Bölgesi Doğal Ağır Agregalarından Biriyle Üretilen Ağır Betonun Geleneksel Bir Betonla Karşılaştırmalı Olarak İncelenmesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon. [5] Kılınçarslan, Ş., 004. Barit Agregalı Ağır Betonların Radyasyon Zırhlamasındaki Özellikleri ve Optimal Karışımlarının Araştırılması. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, D. Tezi, 15s, Isparta. [6] Türkiye Barit Envanteri, 1976, M.T.A. Enst. Yay., No:163, Ankara. [7] Kılınçarslan Ş., Başyiğit C., Akkurt İ., 007. Barit Agregalı Ağır Betonların Radyasyon Zırhlama Amacıyla Kullanımının Araştırılması. Gazi Üniv Müh. Mim. Fak. Der., Cilt, No, Ankara. [8] Yılmazer B., 009. Muş Yöresinden Temin Edilen Baritin Kullanımı İle Elde Edilen Ağır Betonun Fiziksel ve Mekaniksel Özelliklerinin Araştırılması. Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Y. Lisans Tezi, Elazığ. [9] Cengiz, O., Kuşçu M, Şarkîkaraağaç ile Hüyük Arasındaki Bölgenin Jeolojisi ve Barit Yatakları MTA Yerbilimi ve Madencilik Kongresi Syf Ankara. 90

5 Ş. Kilinçarslan, S.Sancar, İ. Uzun [10] Ayan, M, Dünyada Barit ve Geleceği, AÜFF Jeoloji Mühendisliği Bolümü Ankara, Jeoloji Mühendis ÜÖI/Ocak [11] Türk Standartları Enstitüsü, (1985) Beton Karışım Hesapları (TS80) Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. [1] Türk Standartlar Enstitüsü, Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, TSE, Ankara,