Pompalanabilir C 100/115 Sınıfı Beton Tasarımı

Transkript

1 Pompalanabilir C /115 Sınıfı Beton Tasarımı Mehmet Mutlu Mehmet Gençmehmetoğlu Erbil Öztekin Kalite Müdürü Asya Böl. Kalite Müh. Teknik Danışman İnş.Yük.Müh. İnş.Müh.MBa Prof. Dr. mehmet.mutlu@nuhbeton.com.tr mehmet.gencmehmetoglu@nuhbeton.com.tr erbil.oztekin@gmail.com Nuh Beton A.Ş. Büyükbakkalköy Mah. Samandıra Cad Maltepe - İSTANBUL Tel: Faks: İstanbul da yapılması planlanan bir yüksek yapı için C /115 sınıfı beton tasarlamak amacıyla bu çalışma yapılmıştır. 3 ay süren laboratuvar çalışmalarından sonra saha denemeleri de başarıyla tamamlanmak suretiyle, İstanbul şartlarında pompalanabilir C /115 sınıfı betonun mümkün olduğu görülmüştür. Çalışmada, agrega seçimine öncelik verilmiş; takiben çimento, kuvars kumu, silis dumanı, uçucu kül, kimyasal katkı cins-oran larını belirlemek için 5 den fazla deneme karışımı yapılmıştır. Basınç dayanımının elde edilmesi açısından daha ilk denemelerde uygun sonuçlar bulunurken, pompalanabilirlik bakımından ilâve deneyler yapılmak zorunda kalınmıştır. İstanbul ve Trakya yöresi agregaları arasından kalite yönünden öne çıkan 6 ocağa ait agregalar üzerinde çalışılmış, 2 sınıf çimento(cem I 42,5 R, CEM I 62,5), 2 cins silis dumanı, 4 ayrı hiper akışkanlaştırıcıdan istifade edilmiştir. Denemelerde,,3 Su/Bağlayıcı (eşdeğer) değerinin altında çalışılarak, çökme-yayılması(slump-flow) 7±5 cm kıvamında beton üretilmesi hedeflenmiş, basınç dayanımı için 1*2 cm, elâstisite modülü için ise, 15*3 cm silindir numuneler üretilmiştir. Hedef dayanım 115 MPa olarak belirlenmiş, amaç gerçekleştirilmiştir. Kimyasal katkıların, 3 dakikalık kıvam kaybı ve lük basınç dayanımı üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu arada, çalışma sırasında, iki farklı silindir, küp ve üç farklı başlık etmeni(kükürt, kauçuk başlık ve aşındırma metotları) aralarındaki ilişkiler ek bilgi olarak edinilmiştir. Sonuç olarak, kıvam koruması, 56 lük basınç dayanımı ve fiyat/kalite performansı en iyi olan beton bileşimi tercih edilmiştir. C /115 sınıfı gibi çok önemli beton sınıflarında, Laboratuvar koşullarında yapılan karışımların çok hassas bileşimler olduğu, en küçük bir değişkenliğin betonda kayda değer davranış farklılığına neden olabildiği gözlenmiştir. Bulguların, yapılacak fiili üretim ile desteklenmesinin gerekli ve yararlı olacağı yazarlar tarafından düşünülmektedir. Anahtar sözcükler : C /115, pompalanabilirlik, çökme-yayılması, T 5 süresi, hiper akışkanlaştırıcı katkı. Öz 427

2 Giriş Dünya ticaretinde ön sıralarda yer almaya başlayan İstanbul un özellikle Avrupa yakasındaki arsa maliyetleri, yurtdışındaki benzer semtlerdeki fiyata(15. $/m 2 ) erişmiş olup, artmaya devam etmektedir. Bu gelişmelere paralel olarak da konut-işyeri maliyetleri yükseldiğinden çok katlı yüksek yapıların değeri artmaktadır. Kat sayısının artışının yanı sıra kullanım alanlarının artırılması da ayrı bir önem taşımakta olup, beton kalitesinin C 35/45 lerden daha yükseklere çıkması ile her katta kolon-perdelerin kesit alanları daraltılmak suretiyle alan kazanımı arttırılmış olmaktadır. Dayanımı yüksek beton üretebilmek için, üretimde kullanılacak hammaddelerin de projede istenen beton sınıfını elde etmeye olanak sağlayacak nitelikte olması gerekmektedir. Yani, agrega, çimento, mineral-kimyasal katkılar, su kalitelerinin ve kalite istikrarının sağlanması zarureti doğmaktadır(1). Projede kullanılacak betonların çok yüksek dayanımlı olması bazı teknik konuları da deme getirmektedir. Halen Dubai de inşaatı devam eden Burj Dubai nin pompalama güçlüğü nedeni ile yüksek basınçlı sabit pompaları(13 bar) özel olarak imal ettirdiği belirtilmektedir(2). Beton sınıfının 126.kata kadar C 8/, kat arasında C 6/75 ve tabliyelerde C 5/6 olduğu kaydedilmektedir. Planlanan yapıda projecinin talebinin C /115 ile C 7/85 arası olduğu düşünüldüğünde, Burj Dubai projesine göre, pompalanabilirliğin daha da zor olması muhtemeldir. Çok yüksek dayanımlı betonlara gelince; dayanımın hangi tip numune ile saptanacağı öne çıkmaktadır. Standartlara göre(3), silindirlere başlık yapılması gerekli olup, 5 MPa üstünde kükürt veya harç önerilmemekte, aşındırma veya kum kutusu tavsiye edilmektedir. Çalışma kapsamının bir bölümüne küp-silindir-başlık özellikleri serpiştirilmiş olup, ASTM de yer bulan(7), henüz Türk Standartlarında yer almayan kauçuk (Neopren) başlık da dâhil edilmiş ve tüm bu etmenler değerlendirilmiştir. Numune tipi-boyutu konusunda bir başka kısıtlama da agrega enbüyük tane çapı(d maks ) olmaktadır. Yüksek katlara betonu pompalayabilmek ve agrega-harç ara yüzeyini güçlendirmek vb. nedenlerle bu tür betonlarda genel olarak D maks =12 mm önerilmektedir(2, 5, 6). Bu sebeplerle *2 mm silindir tercih edilip aşındırarak düz yüzey elde edilen numuneler teste tabi tutulmuştur. Yine, aynı şekilde, pres özelliklerinin de konuya uyumlu olması gerektiği, bazı araştırmacılar(4) tarafından önerilmektedir. En yüksek yükün, pres kapasitesinin 2/3 ünü geçmemesi amacıyla 3. kn(3 ton) seçilmesi veya yüzey alanı küçük olan numunelerin seçilmesi önerilmektedir. Yüksek dayanımın bir sıkıntısı da yüksek çimento dozajının yaratacağı aşırı hidratasyon ısısı ve sonucu olası çatlaklar nedeniyledir. Genel olarak 35-5 kg/m 3 dozaj önerilirken, yüksek dozajdan özellikle büzülme açısından kaçınılması tavsiye edilmektedir(8). Bu amaçla, dozajı çok artırmamak için, çok yüksek oranda su kesen hiper akışkanlaştırıcı kimyasal katkılar, silis dumanı, uçucu kül ve cüruf gibi mineral katkılardan yararlanılması zorunlu olmaktadır. Mineral katkıların katıldığı durumda ise, basınç dayanımlarının gelişimi ileriki yaşlarda tamamlanıp, standart deney yaşı(28 ), 56, 9 veya daha ileriki yaşlara sarkmaktadır(4, 5, 6). 428

3 Amaç Projenin talebi olan C /115 Sınıfı betonu standarda uygun ve ekonomik bir şekilde tasarlayıp yerine pompalamak hedeflenmiştir. Bu amaçla, Marmara bölgesi agrega kaynakları incelenerek ve en uygunları seçilerek daha düşük dozajlı ve silis dumanı içeren beton karışımı tasarımı düşünülmüştür. Ayrıca, çok iyi filler-dayanım artışı etkilerine sahip kuvars kumu kullanılarak, daha yüksek dayanımlı çimento seçerek, hava sürükleyiciler ile karışımı yumuşatıp pompalamayı kolaylaştırarak, hiper akışkanlaştırıcılar ile suyu çok aza indirerek, basınç dayanımı yükseltilmiştir. Deneysel Çalışma Çimento Deneylerde, 26 yılı istatistiksel değerlendirmesi aşağıya çıkartılmış olan, CEM I 42,5 R çimento kullanılmıştır. Tablo 1 : Çimento özellikleri BAZI ÖZELLİKLER Minimum ORTALAMALAR Maksimum Numune Sayısı Standart Sapma TS EN İncelik Blaine (cm 2 /g) Klorür (%) Toplam Alkali (%) Sülfat (SO 3 ) (%) Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) Basınç Dayanımı (N/mm 2 ) 2 Gün 28 Gün Priz Süreleri (dakika) p.başı p.sonu 2.832,4,46 2,3 3,19 24,2 54, ,7,52 2,6 3,22 25,8 57, ,14,57 2,9 3,25 28,1 6, ,2,3,2,1,9 1, <=, <=4, >=2, >42,5 >=6 Tablo 1 incelendiğinde 28 lük dayanım açısından, bu tip çimentodan beklenilen basınç dayanımının çok üstünde bir değere sahip olduğu(54,5 >> 42,5) görülmektedir. Çimentonun 28 lük mukavemeti ortalama 57, MPa mertebesinde olup, standart sapması 1,7 MPa dır. Bu çok yüksek dayanımlı bir beton üretimi açısından önemli bir avantaj teşkil etmektedir. Ayrıca, özel olarak 8. Blaine değerine sahip CEM I 62,5 çimentodan bir seride yararlanılmıştır. Agrega Deneylerde, aşağıdaki yörelere ait, TS 76 EN 1262 standardına uygun agregalar denenmiştir. Bunlar; Doğal Kum -1mm : Kemerburgaz(kuvars kumu), Şile(silis kumu) Kırma Kum -5mm : Cebeci(kalker), Çorlu(diyorit, bazalt), Ömerli(dolomit) I No. Mıcır 5-12mm : yukarıdaki Kırma Kum ocakları ve Çatalca(Kuvarsit) Mineral Katkılar (Silis Dumanı, Uçucu Kül) Deneylerde, standarda uygun(astm C 124), Kuzey Avrupa dan ithal 2 tip silis dumanı ve TS EN 45 Standardına uygun Çayırhan uçucu külü kullanılmıştır. Kimyasal Katkılar Standartlara uygun(ts EN 934 2) olan, Polikarboksili esaslı hazır beton ve prekast üretime yönelik hiper akışkanlaştırıcılar ile çalışılmıştır. 429

4 Tablo 2 : Deney planı Seri Deney adedi / yığışımlı toplam CEM I 42,5 R Çimento Agregalar Katkılar (kg/m 3 ) CEM I 62,5 S/Beşd. DOLOMİT (Ömerli) KUVARSİT (Çatalca) KALKER (Cebeci) BAZALT- DİYORİT (Çorlu) SİLİS KUMU (Şile) UÇUCU KÜL SİLİS DUMANI HİPER (Prekast) HİPER (Hazır Beton) Sonuçlar SONUÇ BETON SINIFI 1 4/4 45 -,28 X X X ,8 - İYİ C 2 4/8 5 -,26 X X X ,7 - İYİ C / ,26 X X X , - İYİ C /16 5 -,22 X X X , - KÖTÜ C / , Bazalt - X 36 8,5 - İYİ C / ,25 X X , - İYİ C /25 45 X, X , - İYİ C / , Diyorit , - İYİ C / , X , - İYİ C /3 45 -,28 - X , - İYİ C / ,27 - X , 1 ila 5 İYİ C / ,27 - X , İYİ C /4 45 -,27 - X , - İYİ C / ,3 - X , İYİ C 15 4/ ,34 - X , İYİ C /5 45 -,34 - X , İYİ C / ,34 - X , İYİ C / ,3 - X , - İYİ C / ,3 - X , - İYİ C 2 2/ ,29 - X , - İYİ C /6 45 -,29 - X X SAHA DENEMESİ , - İYİ C 43

5 Deney Sonuçlarının Değerlendirilmesi Tablo 2 den de görüleceği üzere laboratuvarda 2 seri(58 deney) arazide 1 seri(2 deney) gerçekleştirilmiştir. İlk on seri ve serilerde prekast için olan hiper akışkanlaştırıcılar denenirken, serilerde çeşitli katkılardan yararlanılmıştır. İlk 2 seride uçucu kül katılmaksızın, 45 ve 5 dozlu, Kalker, Dolomit ve Kuvarsit agregaları ile 56 de MPa elde edilmiş, denenen agregaların önemli farklılık yaratmadığı(şekil 1) ve pompalanabilir olmadığı, 5cm çapa erişme süresi olarak bilinen T 5 değerinin 1sn den büyük olduğu gözlenmiştir. T 5 sınırları, KSB de; konut inşaatları için 2-5sn, genel inşaat için, 3-7sn olarak verilmektedir(8). Ancak, bu tür çok yüksek dayanımlı betonlarda daha yüksek(3-7sn) alınması öngörülerek daha güçlü pompalarla betonu yerine bastıkları bilinmektedir(2). Bu arada, Şekil 1 de 28 ile 56 lük dayanım artışlarının diğerlerinden çok olması, 28 lüklerin başlıklarının kükürt başlık, 56 lüklerinin ise aşındırma olması sebebiyledir. Basınç Dayanımı (MPa) Kuvars+Kalker+Kalker Kuvars+Dolomit+Dolomit Kuvars+Kuvarsit+Kuvarsit Kuvars+Kalker+Kuvarsit Şekil 1: 1.Seri deney sonuçları ( 45 dozlu, çeşitli agregalarla deneme sonuçları) NOT: Deneyde kullanılan agregalar, Doğal Kum+Kırma Kum+I No. Mıcır şeklindedir. 3. ve 4. seride karışıma uçucu kül katılarak 1. ve 2. seri tekrarlanmıştır. T 5 açısından benzer sıkıntılar(t 5>1sn) devam ederken, 4. seride katkılara yüklenilmesi ile S/B değeri,22 ye çekilerek, görünümü ve pompalanabilirliği uygun olmayan C 12 ler elde edilebilmiştir. 5. seride Çorlu bazalt agregası, 6. seride Şile Silis kumu, 7. seride CEM I 62,5 R mikro çimento ve 8. seride Çorlu diyorit agregası, 9. seride ise değişik bir silis dumanı malzemesi ile denemeler yapılmış, ancak dayanımın artmasına karşın, fiyat/kalite performansı düşük seyretmiştir. Denemesi yapılan silis dumanlarının değişikliği herhangi bir farklılık yaratmamıştır. Basınç Dayanımı (MPa) Su Miktarı (lt/m 3 ) Su Miktarı (lt/m 3 ) Su Su Miktarı 2 25 Kuvars+Diyorit+Diyorit+Silis Dumanı(%6) Kuvars+Diyorit+Diyorit+Silis Dumanı(%1) Şekil 2: 8.Seri deney sonuçları(45 dozlu, Diyorit agregası ve %6 1 Silis Dumanı) 431

6 1.seride silindir numune başlık etmeni ve küp numune(15cm) farklılıkları incelenmiş, sonuç olarak, 12 MPa dayanım seviyesinde, standartlarda da belirtildiği üzere(3), kükürt başlığın uygun olmadığı, aşındırma ve kauçuk başlık kullanmanın en iyi sonucu verdiği, küp neticesinin ise, kükürt başlıktan iyi, kauçuk ve aşındırmadan kötü olduğu gözlenmiştir(şekil 3). Basınç Dayanımı (MPa) KÜKÜRT KAUÇUK AŞINDIRMA KÜP Şekil 3: 1.Seri deney sonuçları(numune cinsi ve başlık etkisi serisi sonuçları) Su Miktarı (lt/m 3 ) Su serilerde ise, T 5 yi 1sn nin altına düşürmek için çeşitli katkılar denenmiş, T 5 değerleri istenen 3-7sn aralığına çekilirken, hava miktarları %7-8 lere çıkınca beton sınıfları da C 6/75 lere düşmüştür seriler, kum yüzdesinin %4 lardan %45-5 aralığına çekilmesi ile çalışılmıştır. Bu serilerde, prekast için olan hiper akışkanlaştırıcı katkılara geri dönülerek deneyler yapıldığında, T 5 değerlerinin istenen aralıkta olduğu gözlenmiştir. Bu olgu, bize bu tür betonlarda kum % sinin ne denli hassas olduğuna işaret etmektedir. Sonuca varılan bu serilerin dayanımları da istenen seviyede bulunmuştur Basınç Dayanımı (MPa) Su Miktarı (lt/m 3 ) Su Miktarı 2 25 %4 KUM - T 5 : 15 sn. %46 KUM - T 5 : 6 sn. Şekil 4: Kum yüzdesinin, %4 dan %46 ya çıkmasının T 5 Süresi üzerine etkisi 21. seri, 1 er hafta ara ile, B.Çekmece tesisimizde yapılan saha denemesine aittir. 166m borudan geçirilmek suretiyle, pompalama öncesi ve sonrası numuneler alınmış ve rahatlıkla betonun pompalanabildiği ve istenen T 5 nin 3-7sn ile ve istenen dayanımın C /115 in sağlandığı gözlenmiştir. Beton sınıfın Türkiye koşullarına göre çok yüksek olması nedeniyle, TS EN 26-1 Standardında yer alan risk katsayısı 1,48 in 1,65 e çıkartılarak daha emniyetli bir beton üretimi planlanmaktadır. Bu arada, elastisite modülü de, 1 8. serilerde, 15*3 cm silindirlerden tespit edilmiş olup, 42 5 GPa bulunmuştur(şekil 5). 432

7 Sonuç olarak, karışıma giren miktarlar(kg/m 3 ), uygulamadaki olası riskleri de yüksek tutmak suretiyle emniyetli bir şekilde, aşağıdaki gibi olmasına karar verilmiştir. Su/Bağlayıcı (Eşd.)** Çimento Su Silis Dumanı Uçucu Kül Kimyasal katkı Doğal Kum Kırma Kum I No. Mıcır, (%8) 72 (%16) 9 (%2) 347 (%21) 42 (%25) 913 (%54) Taze Beton Özellikleri Çökme yayılması 7 cm T 5 süresi 6 sn **Su : *,7 = ,3 = 16,3 [,7 : Katkı içindeki su oranı, %7] Bağlayıcı : *2 + 72*,4 = 55,8 [ 2 : Silis Dumanı katsayısı] Su/Bağlayıcı (Eşd.) = 16,3 / 55,8 =,29 [,4 : Uçucu Kül Katsayısı] B.Çekmece tesisimizde yapılan saha denemesine ait iki adet Şekil(Şekil 6 8) aşağıda yer verilmiştir. 433

8 Kükürt Aşındırma Kauçuk Şekil 5: 15*3cm silindir numune üzerinde elastisite modülü tayini Şekil 7: Solda kükürt başlık, ortada aşındırma, sağda kauçuk başlık numuneleri Şekil 6: T 5 değeri 5sn, Çökme Yayılması 65cm olan taze betonun görünüşü Şekil 8: B.Çekmece Tesisimizde 2 adet pompa ve 2 adet mikser ile yapılan pompalama esnasındaki görünüm 434

9 Sonuçlar Yapılan bu çalışma ile, oldukça deneyim kazanan ekibimizin vardığı sonuçları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz. 1. Su/Bağlayıcı değeri,3 un altına inmeden C /115 Sınıfı beton yapabilme olanağının olmadığı, 2. Betonun kıvamının sadece çökme yayılması ile tespit edilmeyip, Betonun yayılma hızının, dolayısı ile ayrışma-pompalanabilme gibi kriterlerin göstergelerinden biri olan T 5 değerinin de ölçülmesinin ve belirli aralığa uygun hale getirilmesinin önemli olduğu, 3. Çok yüksek dayanımlı betonlardan küp numune alınmaması, silindir numune alınması ve ya aşındırma ya da kauçuk başlık ile, kapasitesi yeterli bir preste kırılmasının, sağlıklı bir sonuç alınması için önem taşıdığı, 4. Bu tür betonlar için kullanılacak malzemelerin(çimento, su, agrega, kimyasal ve mineral katkılar), kalite kontrolünün çok sıkı bir şekilde yapılması gerektiği, 5. Marmara Bölgesi kaliteli agregaları ile, bu sınıf betonların yapılabileceği, C 12 C 13 gibi daha yüksek olması halinde; Kuvarsit, Diyorit vb. daha özel agregalara ihtiyaç duyulacağı, 6. İnce malzeme miktarının çok kritik olduğu, betonun T 5 süresi üstünde önemli etkiye sahip bulunduğu, detaylı bir araştırma ile uygun oranın belirlenebileceği, gözlemleri tespit edilmiştir. Kaynaklar 1. ÖZTEKİN, E. ve KEKLİK, O., Yüksek Yapı İnşaatında Yüksek Kıvamlı, Yüksek Kıvam Korumalı, C 45 Sınıfı Beton Kullanımı, 6. Ulusal Beton Kongresi Bildiriler Kitabı, sayfa, İstanbul, BURJ DUBAI, Dubai Kulesi, DİZAYN Construction, 26 Ekim, Sayı 25, Sayfa TS EN Beton Sertleşmiş Beton Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini 4. SHAH, Surendra, QUALITY CONTROL And TESTING, Materials Selection, Proportioning and quality control, page ACI 211.4R-93 Guide for Selecting Proportions for High-strength Concrete with Portland Cement and Fly-ash, 6. ACI 363R-92 State of the Art Report on High-Strength Concrete 7. ASTM C 1231/C 1231M-, Standart Practice for Use of Unbounded Caps in Determination of Hardened Concrete Cylinders 8. EFNARC, Specification and Guidelines for Self-Compacting Concrete 435

10 436