YÜKSEK DAYANIMLI /YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR. Doç. Dr. Hakan Nuri ATAHAN İTÜ İnşaat Fakültesi

Transkript

1 YÜKSEK DAYANIMLI /YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR Doç. Dr. Hakan Nuri ATAHAN İTÜ İnşaat Fakültesi

2 İÇERİK YAPI MALZEMESİ OLARAK BETON YÜKSEK DAYANIMLI-YÜKSEK PERFORMANSLI BETONLAR MALZEMELER VE SEÇİMİ BETONUN KÜRÜ TAZE BETON ÖZELLİKLERİ HİDRATAYON ISISI MEKANİK ÖZELLİKLER ULTRA YÜKSEK PERFORMANSLI KOMPOZİTLER

3 BETON ÇİMENTO SU MİNERAL KATKILAR AGREGA KİMYASAL KATKILAR İŞLENEBİLİR İSTENEN MEKANİK ÖZELLİKLERE SAHİP DURABİLİTESİ YÜKSEK

4 YÜKSEK DAYANIM/PERFORMANSLI BETONLARIN TEMEL İLKELERİ Geleneksel betonlardan farkı nedir? Yüksek dayanım özelliği nasıl elde edilir? Yüksek geçirimsizlik özelliği nasıl elde edilir?

5 Sertleşmiş çimento hamuru ve betonun belirleyici yapısal özelikleri üç farklı düzey ve uygun model türleri ile incelenir. Yapısal Düzey Belirleyici Özelikler Model Türleri Nano/Mikro- Düzey Mezo-Düzey Makro-Düzey Sertleşmiş Çimento Hamurunun Yapısı, Jel. Boşluklar, Çatlaklar, Enklüzyonlar, Temas yüzeyleri. Yapı Elemanlarının Geometrisi. Malzeme Bilimi Modelleri. Malzeme Mühendisliği Modelleri, Mekanik ve Sayısal Modeller. Yapı Mühendisliği Modelleri, Malzeme.

6 Basınç dayanımı, MPa BETONUN EVRİMİ KAPSAMINDA BASINÇ DAYANIMI - SU/ÇİMENTO İLİŞKİSİ Reaktif Pudra Betonu (1995 den sonra) Yüksek dayanımlı/yüksek Performanslı Beton (1980 ve 1990 lı yıllar) Normal Dayanımlı Beton (1970 li yıllar) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Su/çimento oranı Normal Dayanımlı Beton (1950 li yıllar)

7 Yüksek dayanımlı beton üretilebilirliğini mümkün kılan iki önemli gelişme... Ultra incelikteki mineral katkılar, Yüksek su indirgeyici yeni kuşak süperakışkanlaştırıcılar (hiperakışkanlaştırıcılar).

8 (a) Çimento hamuru (b) Süperakışkanlaştırıcılı (c) DSP hamuru hamur (a) Portland çimentosundaki topaklanmış taneler (b) Süperakışkanlaştırıcı yardımıyla topaklanmaları önlenmekte ve su miktarı azaltılabilmektedir. (c) Bir DSP (Dense Silica Particle) hamurunda boşlukları dolduran silis dumanı ile yoğun bir sıkı diziliş elde edilir.

9 Mineral Katkılar: 1. Doğal Puzolanlar Tüfler Volkanik küller Diyatome toprağı Bazı killer 2. Yapay Puzolanlar Uçucu küller Granüle yüksek fırın cürufu Mikrosilis (SD) Puzolanik bitki külleri 3. Puzolanik olmayan katkılar Kalker unu,...

10 Mikrofiller malzemelerin betonda iki işlevi vardır Boşlukları doldurma etkisi 2. Puzolanik etki

11 Sertleşmiş betondaki en zayıf halka: Agrega-Çimento hamuru ara yüzeyi

12 Basınç Dayanımı, MPa 100 Mikrosilis betonu Karbon siyahı betonu 80 Referans betonu 60 Puzolanik etki Mikrofiller etkisi Karbon siyahı hamuru Referans hamuru Çimento hidratasyonu etkisi Yaş, Gün

13 Silis dumanının çimento hamurundaki boşlukları doldurma etkisi

14 Çimento, Uçucu Kül, Cüruf ve Mikrosilika nın bazı fiziksel özelliklerinin karşılaştırılması: 0,5µ

15 GELENEKSEL BETON YÜKSEK DAYANIMLI BETON

16 Teorik olarak, çimento hidratasyonundan oluşan Ca(OH) 2 nin tamamen tüketilmesi için gerekli olan silis dumanı dozajı çimento ağırlığının yaklaşık %25 i ila %30 u arasındadır. Bu durum yüksek miktarda akışkanlaştırıcı kullanımı demektir. İLAVE MALİYET VE TEKNİK PROBLEMLER Uygulamada genellikle tercih edilen kullanım oranları %3 ila %15 arasında değişen değerler alabilir..

17 Silis dumanının ile güçlendirilmiş ara yüzey Boşluksuz Arayüzey Agrega Çimento hamuru Boşluklu Arayüzey

18 Silis dumanı içermeyen betonların hamur fazında boşlukların CH kristalleri ile dolu olduğunu gösteren mikrograflar...

19 Silis dumanı içeren betonların hamur fazı iç yapısını gösteren mikrograflar...

20 Çimento Hamuru-Agrega Arayüzeyi

21

22 İYİ AGREGA + KUVVETLİ MATRİS ARTAN DAYANIM

23 BETONUN EKSENEL BASINÇ YÜKLERİ ALTINDA KIRILMASI Agrega 30 Beton Çimento hamuru Beton, çimento hamuru, agrega ve agrega-çimento hamuru arayüzeyinden oluşan üç fazlı kompozit bir malzemedir Şekil değiştirme, 10-6 Betonun dayanım ve dayanıklılığında bu üç fazın önemli ektileri vardır.

24 GELENEKSEL BETONUN TEK EKSENLİ BASINÇ ALTINDA GERİLME ŞEKİL DEĞİŞTİRME EĞRİSİ

25 NORMAL VE YÜKSEK DAYANIMLI BETONLARIN TEK EKSENLİ BASINÇ ALTINDA GERİLME ŞEKİL DEĞİŞTİRME DAVRANIŞLARI Yüksek Dayanımlı Beton Normal Dayanımlı Beton

26 Beton dayanımı arttıkça, betonun maksimum yükte yaptığı toplam şekil değiştirme artar.

27 Çekme şekil değiştirme kapasitesi-basınç dayanımı ilişkisi MPa Basınç Dayanımı (f c ), MPa

28 Beton Sünekliliğinin/Gevrekliğinin Bağıl Kırılma Enerjisi İle İfade Edilmesi: U r f 1 cs cu cu 0 d /f cs /f cs Alan=U r Alan=U r (a) 1 1 / cu 11 (b) / cu (a) Lineer elastik ve (b) inelastik davranış gösteren malzemede bağıl kırılma enerjileri.

29 Bağıl kırılma enerjisi-basınç dayanımı ilişkisi: (Basınç dayanım aralığı: 45 MPa 120 MPa) Ur = ln(f cs /f * ) (f * =1 N/mm 2 ) R = 0.84 Ur Normalize Edilmiş Basınç Dayanımı (f cs /f * )

30 Bağıl kırılma enerjisi-basınç dayanımı ilişkisi: (Basınç dayanım aralığı: 10 MPa 100 MPa) MPa Basınç Dayanımı (f c ), MPa

31 Normal dayanımlı beton (NDB), yüksek dayanımlı beton (YDB) ve reaktif pudra betonlarının (RPB) mekanik özellikler bakımından karşılaştırılması Mekanik Özellikler Basınç Dayanımı (MPa) Eğilme Dayanımı (MPa) Kırılma Enerjisi (J/m 2 ) Tepe noktasına karşı gelen şekil değiştirme (10-6 ) Elastisite Modülü (Gpa) NDB YDB RPB

32

33 8,500 CC River gravel 59 Modulus of elasticity, ksi c 7,000 5,500 SCC River gravel SCC Limestone CC Limestone (GPa) 4,000 4,000 (27.6) 8,000 (55.2) 12,000 (82.8) 16,000 (110.3) Compressive strength, psi (MPa) 28

34 Modulus of rupture, psi 2,000 1,600 1, SCC (6''x6''x20'') CC (6''x6''x20''), This study CC (6''x6''x20''), Hueste et al. 95% Prediction confidence intervals Mean (SCC Model) AASHTO Upper Bound (MPa) 400 AASHTO Lower Bound 4,000 8,000 12,000 16,000 (27.6) (55.2) (82.6) (110.3) Compressive strength, psi (MPa) 2.8

35 Splitting tensile strength, psi 1,400 1,200 1, SCC CC (This study) CC (Hueste et al.) 95% Prediction confidence intervals Mean (SCC Model) AASHTO LRFD (MPa) 400 4,000 8,000 12,000 16,000 (26.7) (55.2) (82.8) (110.3) Compressive strength, psi (MPa) 2.8

36 Beton hacminin yaklaşık %75 ini oluşturan agreganın; - Türünün, - Biçiminin, - En büyük boyutunun, - Tane boyutu dağılımının, - İnce madde oranının, - Organik madde miktarının, - Hacim konsantrasyonunun ve - Yüzey özelliklerinin betonun performansında önemli işlevi vardır.

37 Küp Basınç Dayanım ı, MPa Farklı tip agregalar içeren betonlarda, beton sınıflarına göre basınç dayanım değerleri Gri Kalker Kumtaşı Beyaz Kalker Bazalt BS 18 BS 25 BS 35 BS 55 BS 75 BS 90 B e t o n S ı n ı f l a r ı

38 YÜKSEK DAYANIMLI BETONLARDA RÖTRE Rötre nedir?

39

40

41

42 Hidrate olan çimento hamuru Katı maddeler (hidratasyon ürünleri, anhidr çimento) Boşluklar Boşluk suyu

43

44 Yüksek W/C oranlı beton Düşük W/C oranlı beton Azalan kapiler boşluk çapı Artan kapiler gerilmeler

45 W/C oranı Hidratasyon Derecesi ve Geçirimlilik İlişkileri

46 Deformasyon direnci, Büzülme gerilmesi Menisk oluşmasına bağlı olarak, fiziko-kimyasal rötre nedeniyle oluşan büzülme gerilmesi Deformasyon direnci Zaman

47 Plastik Rötre bölgesi İçsel Kuruma bölgesi Kuruma bölgesi RÖTREYİ MİNİMİZE ETMEK İÇİN BETONU NASIL KÜRLEMELİYİZ? Kür membranı yada su buharı Su kürü yada su buharı Yüzeyde geçirimsiz film tabaka BETON YÜZEYİ Suyun yüzeyden buharlaşması engellenmeli Meniski oluşumu engellenmeli Kuruma engellenmeli. İçsel kuruma hidratasyon duruncaya kadar devam edecektir

48 Yüksek dayanımlı betonların sakıncaları: Otojen rötre Hafif Agrega Yangında buhar etkisi Polipropilen Lif Yüksek sıcaklıklarda eriyen polipropilen lifler buharın boşluklar yardımıyla dışarı çıkmasını sağlar (Walraven, 1999) Gevreklik Çelik Tel

49 HİDRATASYON ISISI-Termal gerilmeler? ÇİMENTO ÖZELLİKLERİ: Karma Oksitler C 3 S (%50 - %70) C 2 S (%15 - %30) C 3 A (%5 - %10) C 4 AF (%5 - %15) Hızlı reaksiyona girer, Piriz başlangıcı ve erken dayanımdan sorumludur, Hidrataston ısısına katkısı yüksektir. Yavaş reaksiyona girer, Çimentonun ileri yaşlardaki dayanımına katkısı yüksektir Az miktar erken dayanıma katkısı vardır, İlk birkaç gün içerisindeki hidratasyon ısısına katkısı yüksektir, Betonların sülfat atağı karşısındaki dayanımı etkiler. Klinker üretimi sırasındaki enerji gereksinimini azaltır (daha düşük sıcaklıklarda klinker oluşumu gerçekleşir), Çabuk hidrate olur ancak dayanıma katkısı çok düşüktür, İçindeki demir nedeniyle çimentoya ve dolayısıyla betona gri rengini verir.

50 C 3 S in Hidratasyonu sırasında yayınan ısı: 1- Hidroliz başlangıcı 2- Tetikleme bölgesi 3- Hızlanma bölgesi 4- Yavaşlama bölgesi 5- Durgun bölge Suyla ilk temas Çözeltide Ca ++ ve OH iyonları, ph>12 15 dakika

51 Çözeltide özellikle Ca ++ ve OH miktarı artıyor. C 3 S çözünmeye başlıyor 2 ila 4 saat arasında piriz başlangıcı meydana gelir. Çözeltide CH kristalleri oluşuyor. C 3 S yüzeyinde C-S-H gelişiyor Piriz sonu meydana gelir. Sertleşme başlıyor.

52 C 3 S yüzeyindeki C-S-H kalınlaşıyor ve bir bariyer oluşturuyor. C-S-H boyunca oluşacak difüzyon hızı reaksiyon hızını belirleyen parametre oluyor. Hidratasyon yavaşlayan bir hızla ilerler ve oluşan ürünler çimento taneleri arasındaki boşlukları doldurur.

53 Basınç Dayanımı, MPa Hidratasyon Derecesi, % Çimento karma oksitlerinin reaksiyon hızları Zaman, gün Çimento karma oksitlerinin basınç dayanımı gelişimleri Zaman, gün

54 Ortam sıcaklığının beton sıcaklığına etkisi: Ortam sıcaklığı: Maks. 33 o C Ortam sıcaklığı: 9 o C ila 22 o C Ortam sıcaklığı: 3 o C ila -4 o C Benzer tasarıma sahip yüksek dayanımlı ince kesitli beton elemanlarda ortam sıcaklığının beton sıcaklığına etkisi.

55 Yapı geometrisinin beton sıcaklığına etkisi:

56 Kalıp malzemesinin beton sıcaklığına etkisi: Kalıp tipinin beton kütle ortasındaki maksimum sıcaklık üzerinde büyük etkisi yok Çelik kalıp iyi iletken olduğundan ısı kaçışı bu yüzeyden daha fazla: YÜKSEK TERMAL GRADYAN OLUŞUMU Plywood kalıp-ısı kaçışı daha az: DÜŞÜK TERMAL GRADYAN OLUŞUMU

57 Çelik Tel Donatılı Betonlar (ÇTDB) Çelik Tel Donatılı Betonların Genel Olarak Üstünlükleri: Yüksek enerji yutma kapasitesine sahip sünek beton, Çatlama riskinin azalması (etkin çatlak kontrolü) Üstün dürabilite ( kalıcılık), Donatı işçiliğinde belirgin azalma.

58 Çelik Tel Donatılı Betonda Üstünlük Sağlayan Seçenekler: Çelik tel içeriğine bağlı olarak istenilen maksimum yüke ve yutulan enerjiye erişmek kolaydır. Narinlik (tel boyu/tel çapı) oranı arttıkça yutulan enerjiyi ve en büyük yükü arttırmak mümkündür. Uçları kancalı oluşu yutulan enerjiyi daha da arttırır.

59 Normal harç ve yüksek performanslı çelik tel donatılı betonun eğilme davranışı GF=25770 J/m2 GF=108 J/m 2 Sehim, mm

60 Çatlak köprülenmesine farklı lif boyutlarının etkisi Mikro lifler Mikro Çatlaklar çatlaklar Uzun lifler Gerilme Kısa mikro lif içeren beton Uzun lif içeren beton Yalın harç Şekil değiştirme Sehim

61 Kırılma enerjisi - Lif içeriği ilişkisi C tipi kür görmüş numuneler N tipi kür görmüş numuneler Kırılma enerjisi, GF (N/m) Lif İçeriği, V f ( % )

62 Net Eğilme Dayanımı Net eğilme dayanımı - Lif içeriği ilişkisi C tipi kür görmüş numuneler N tipi kür görmüş numuneler Lif İçeriği, Vf (% )

63 Load, N Load, N Hafif agrega içeren betonlarda yük-sehim ilişkileri: W/C = LWAC W/C = LWAC1 W/C = 0.34 LWAC LWAC CC 3000 LWAC Load, N CC 3000 LWAC2 CC Midspan deflection, mm Midspan deflection, mm Midspan deflection, mm