BETON YAPI MALZEMESİ Beton; çimento, agrega, su ve katkı maddelerinin belirli oranlarda homojen olarak karıştırılması ile elde edilen, başlangıçta plastik kıvamda olup zamanla çimentonun hidratasyonusebebiyle katılaşıp, istenilen şekli alarak sertleşen bir yapı malzemesidir. Beton; Çimento hamuru (harç), Agrega, Agrega-çimento hamuru arayüzeyi olmak üzere üç fazlı kompozitbir malzemedir. Betonun bileşenleri içinde çimento gerek ekonomik gerek teknolojik özellikleri açısından farklı bir yere sahiptir. Beton Karışımını Oluşturan Bileşenler: Geleneksel bir beton karışımının bileşenleri: Çimento Agrega Su Katkı Maddeleri: Kimyasal ve mineral katkılar Her tür betoniçerisinde oluşan birmiktarhavaboşluğu. Bileşenlerin fonksiyonu: ÇİMENTO: Bağlayıcılık İRİ AGREGA: Yükleri taşıyan iskelet yapı İNCE AGREGA: Boşlukları doldurma, dolgu görevi SU: Hidratasyonu başlatmak ve işlenebilirlik sağlamak KATKI : Taze ve sertleşmiş betonun özellikleri (işlenebilirlik, dayanım, dayanıklılık, geçirimsizlik) geliştirmek. 1 2 Betonun içerisindeki hava, genellikle, betonun karılması ve yerleştirilmesinden sonra oluşan (istenmeden) boşluklarda yer almaktadır. Bu tür boşluklardaki hava, hapsolmuş hava olarak tanımlanmaktadır. Bununla birlikte, elde edilecek sertleşmiş betonun donmaçözülmedayanıklılığınıartırmak amacıyla, betonkarışımının üretilmesi esnasında kullanılan hava sürükleyici katkı maddelerinin yardımıyla bir miktar sürüklenmiş hava kabarcığı/boşluğuözelolarak (istenerek) beton içinde oluşturulmaktadır. Beton, yapılarda yük taşıyan, diğer bir ifadeyle esas taşıyıcı bir yapı malzemesidir. Taşıyıcı özellik, çimento ile birbirine bağlanan iri tanelerin yükü taşıyıp aktararak taşıyıcı bir iskelet yapı oluşturması nedeniyledir. Beton, mekanik özellikleri arasında basınç dayanımı yüksek olmasına rağmen çekme dayanımının zayıf olması nedeniyle yapılarda donatı ile takviye edilmiş (betonarme: donatılı beton) 3 olarak kullanılmaktadır. Genel olarak avantajları: Yapıda, taşıyıcı sistem olarak kullanıldığında, yüksek dayanımlı ve doğal etkilere (deprem, yangın, aşınma vs.) dayanıklı olması, Yapımının bir sanayi gerektirmemesi, İstenilen şekli alabilmesi ve kolay işlenebilme. Maliyetinin ucuzluğu Genel olarak dezavantajları; Atmosfer etkilerine geçirimli, Birim ağırlığının fazla olması Yıkıntı değerinin olmaması. Çimento, su ve agreganın ilk karıştırıldığındaki (priz başlangıç süresine kadar) kolayca şekil verilebilen (plastik) haline taze beton denir. 4 1
Birkaç saat (priz başlangıç süresinden hemen sonra) içinde beton katı hale geçerek günlerce devam eden bir süreç ile birlikte sertliği artar ve dayanım kazanır. Belirli bir süre sonunda yeterince dayanım kazanmış betona sertleşmiş beton denir. Beton hangi amaç için üretilirse üretilsin istenilen özellikleri sağlayabilmesi için üç temel özelliğe sahip olması istenir. 1. İşlenebilirlik(işlenebilme özelliği) ve kıvam: Taze betonun, üretim, taşıma ve kalıba yerleştirme sırasında ayrışmaması ve homojenliğini kaybetmemesi ve kalıplarda kolaylıkla yayılarak mümkün olduğu kadar az boşluk bırakarak yerleşebilme özelliği işlenebilirlikolarak tanımlanmaktadır. Taze betonun üretim sürecinde yeterli işlenebilirlikve uygun kıvamda olması gerekmektedir. 5 İşlenebilme özelliğini etkileyen faktörleri, Çimento ve katkı maddelerinin türü ve miktarı, Karma suyu miktarı, (su/çimento oranı) İnce ve iri agrega miktarları ile yüzey ve tane şekilleri olarak sayabiliriz. Taze betonun işlenebilir olması için kolay karıştırılmalı ve yerleştirilmeli, karışırken, taşınırken ve yerleştirilirken bileşenleri ayrışmamalı, homojenliğini yitirmemelidir. İşlenebilir bir betonun özelliklerinin başında kohezyon gelir. Kohezyonlutaze betonda, içindeki iri agrega tanelerinin karışma, taşıma ve yerleşme sıralarında kütleden ayrılıp, dağılması yani segregasyonolayı meydana gelmez. Segregasyonyapan bir beton ise homojen olamaz. İri agregalar bir yanda, çimento harcı bir yanda toplanır ve betondaki dayanım dağılımı çok farklılık gösterir. 6 Kohezyonla paralellik gösteren bir diğer özellik taze betonun kararlılığıdır (stabilite). Kararlı bir betonda agrega segregasyonu dışında su da ayrışmaz. Suyun kütleden ayrılmasına terleme (su kusma) denilmektedir. Terlemenin bir nedeni segregasyondur. İri taneler dibe çökünce su yüzeye çıkar. Terleme özellikle yerine yerleştirilmiş taze betonda önemlidir. Beton dökülüp üstü mastarlandıktanhemen sonra terleme başlar ve bir saat içinde yüzeydeki su kaybolur. Terleme erken rötreyleilişkilidir. Ayrıca yüzeye yakın kısımda daha sulu ve ince taneli beton oluşması sonucu dayanım yönünden tabakalaşmameydana gelir. Yüzeye yakın beton tabakası düşük dayanımlı olur. Agrega içinde çok ince tanelerin bulunmaması (0,50 mm, 0,25mm gibi) bu özellikleri olumsuz etkiler. Betonda %5 i aşmayacak oranda siltkullanılarak, çimento dozajını artırarak veya daha ince öğütülmüş çimento kullanılarak terleme azaltılabilmektedir. 7 Taze betonda kohezyonu ve kararlığı etkileyen birleşim parametreleri: su/çimento, agrega/çimento ve su miktarıdır. Kıvam:Betonun akıcılığı ile veya kendi ağırlığı altında hareket edebilme kabiliyeti olarak tanımlanabilir. Kıvam özelliğine en önemli etki yapan faktör karışım suyu miktarıdır. Kuru kıvama sahip betonun akıcılığı yani kalıp içinde hiç bir kuvvete maruz kalmadan hareket etme kabiliyeti çok düşüktür. Taze betonun kıvamının deneysel olarak değerlendirilmesi için en çok kullanılan slumpçökme deneyidir. Taze betonun işlenebilmesi için uygun kıvamda olması gerekir. Taze betonun kıvamı, Karışım suyu miktarına, Uygun bir kıvamın elde edilmesi için su ihtiyacını tayin eden agreganın tane şekli ve granülometrisine, Çimentonun türü ve miktarına, bağlıdır. 8 2
Kıvam sınıfları ve özellikleri 9 2. Dayanım: Betonun kullanılacağı çevresel ortam ve maruz kalacağı yük tipleri gözönünde tutularak, betonun en az ne büyüklükte bir dayanıma sahipolmasıgerektiğinin bilinmesi, betontasarımı için çok önemlidir. Betonun basit mekanik dayanım değerleri arasında en yüksek olanı basınç, en düşük olanı çekme dayanımıdır. Betonun çekme dayanımı, basınç dayanımının %8-%14 arasındadır. Betonun basınç dayanımı, betonun diğer fiziksel ve mekanik özellikleri ile paralellik gösterir. Yüksek basınç dayanımlı bir beton kompasitesiyüksektir, serttir, su geçirimliliği düşük, dış etkilere dayanıklı ve aşınma dayanımı yüksektir. Bu nedenle betonda aranan diğer türdeki dayanımlar arasında en çok aranılanı basınç dayanımıdır. Betondayanımı, betonu oluşturanmalzemelerin özeliklerive kullanıldıklarıoranlarileyakındanilgilidir. 10 Betonun basınç dayanımının zamana bağlı olarak devamlı bir artma gösterir. Enaz3 veya daha fazla numunenin ortalamabasınç dayanımı (f cm ) değerleri kullanılarak istatiksel bir büyüklük olan ve beton sınıfının tayininde kullanılan karakteristik basınç dayanımı (fck) belirlenir. f cm = f ck + 1.28 x σ(ts 500), σ: Standard sapma Karakteristik dayanımdeğeri, beton sınıflarınagöre standartlarda (TS EN 206-1) tanımlanan dayanım değerleri ile karşılaştırılır. Bu karşılaştırmasonucundaüretilen betonun sınıfı belirlenir. Belirlenen beton sınıfı ise betonarme projelerde öngörülen projedayanımı ile karşılaştırılmaktadır. Basınç dayanımı deneysel olarak standart silindir (150 mm çap, 300 mm yükseklik) veya küp (150 mm) numunelerde yapılan basınç deneyi ile belirlenir. Basınç dayanımı, üretimi izleyen 28. günde belirlenir. Beton numuneleri deney gününe kadar 20 C sıcaklıkta, kirece doygun su içinde saklanır. 11 12 3
Beton sınıfları ve dayanımları 13 Betonda kullanılan malzemelerle ilgili olarak beton dayanımını etkileyen faktörler: Kullanılan agreganın en büyük tane boyutu, Agrega gradasyonu, Agregaların yüzey pürüzlülüğü ve tane şekilleri, Çimento tipi, Hava miktarını ve hidratasyonuetkileyecek kimyasal katkıların tipleri ve miktarları. Beton Dayanımı Etkileyen Faktörler: a) Çimento ile ilgili faktörler: Çimento türü, miktarı, ve basınç dayanımıdır. Çimentonun mineralojik yapısı, betonun bileşiminde çok önemli bir yer tutar. Bileşimdeki karma oksitlerin (C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF) oranları etkilidir. Çimento dozajının yüksek olması dayanımı artırır, ancak dayanıma etkiyen asıl faktör su/çimento oranıdır. 14 Beton içindeki çimento hamuru, agrega taneleri arasında kalan boşlukları yeterince dolduracak miktarda olmalıdır. Çimento dozajı için önerilen minimum değer: D: Maksimum agrega tane çapı (mm) b) Beton karma suyu ve temas suyu (su/çimento oranı): Beton, sertleşme sırasında ve sertleşmeden sonra da ara sıra veya her an su ile temastadır. Bu nedenle suyun beton üzerine olan etkisi, karma ve temas suyu olarak ele alınabilir. Beton üretiminde kullanılan karma suyunun fonksiyonları: Bağlayıcı maddenin hidratasyonunu sağlar. Kum ve iri agrega tanelerini ıslatır. Betonun işlenebilme özeliğinin istenilen düzeyde olmasına yardım eder. 15 Beton üretiminde karma suyunun optimum miktarda olması gerekmektedir. Optimum miktardan daha az su kullanılması halinde; Yeter miktarda su bulunmamasından dolayı çimento hidratasyonunu tam bir şekilde yapamayacaktır.. Agrega tanelerinin yüzeyleri tamamen ıslanmayacak, bu tane ile çimento arasındaki aderansı zayıflatacaktır. Betonun işlenebilme özeliği yeterli bir düzeyde olmayacak ve dayanımı düşük olacaktır. Optimum miktardan daha fazla su kullanılması halinde; Çimento hamurunun dayanımı azalacak Fazla su betonun sıkışmasına engel olarak boşlukları artıracak ve bu etkiler de dayanımın azalmasına yol açacaktır Beton özelliklerini olumsuz yönde etkileyecek yabancı maddeler içinde bulunmayan bütün doğal kaynaklı sular beton üretiminde 16 kullanılabilir. 4
Beton karma suyunda en tehlikeli faktör, fazla miktarda sülfat iyonlarının bulunmasıdır. Bu hal, suyun önemli miktarda magnezyum sülfat (MgS0 4 ) ihtiva ettiğini gösterir. MgS0 4 tuzu, prizden önce çimentonun serbest kireciyle reaksiyona girerek magnezyum hidroksit ve jips oluşturduğu için zararlıdır. Kullanılan suyun içerisinde fazla miktarda bulunabilecek yabancı maddeler, hidratasyonürünlerinin oluşumunu olumlu veya olumsuz yönde etkilediği gibi priz süresini de etkiler. Karma suyunun çok fazla veya çok eksik olması dayanımı büyük ölçüde azaltır. Uygulamada betonu işleyebilmek, yerleştirebilmek için agreganın yüzeyinde fazladan bir su tabakası oluşturulması gerekmektedir. Halbuki suyun asıl görevi çimentonun hidratasyonunu sağlamaktır. Çimentonun hidratasyoniçin gerekli olan su, çimento ağırlığının yaklaşık %14'ü kadardır. Hidrate çimento taneleri arasında kalacak adsorplanmışjel suyunu da buna katarsak gerekli su ancak %25 değerine varır. 17 Ancak işlenebilmenin sağlanması için betona katılan su nedeniyle, su/çimento oranı nadiren %40 altına düşer, genelde %50-%65 arasında bir değer alır. Pratik gerekler sonucu katılan su, teorik açıdan gerekli olan değerin çok üstündedir. Hidratasyonve jel yapı için lüzumlu olan suyun üzerinde kullanılan bu su, ilerde buharlaşarak, beton içinde çoğunluğu kılcal olan boşlukların oluşmasına neden olacaktır. Betonda kullanılan su/çimento veya su/(çimento+puzolan) oranı (su/bağlayıcı maddeler oranı), beton dayanımını doğrudan etkileyen birfaktördür. Su/çimento veyasu/bağlayıcımadde oranı oranı arttıkça daha düşük dayanımlı betonlar elde edilmektedir. Su/çimento (s/ç) oranı betonun basınç dayanımı ile birlikte dış (çevre) iklim faktörlerine karşı dayanıklılığında önemli rol oynar. Beton karışım hesabında s/ç oranı, çeşitli iklim (çevre) şartlarına ve basınç dayanımına göre seçilir. 18 Su/çimento oranının basınç dayanımına etkisi: Seçilen s/ç oranı beton özelliğine göre değişiklik gösterir. Betonun döküleceği ve servis vereceği ortam şartları, önemli dış iklim etmeni altında ise s/ç oranının azaltılması gerekir. 19 S/Ç oranı, taze betonun işlenebilirliği üzerinde oldukça etkilidir. Betonda s/ç oranı, dayanımla ters orantılı olarak değişir. Karışımda kullanılan s/ç oranı küçüldükçe betonun dayanımı artar ve kılcal boşlukların miktarı azalır. Su/çimento oranı düşük olması nedeniyle yerine yerleştirilemeyen betonda oluşacak boşluklar da dayanımı azaltır. Örneğin gerekenden %20 fazla su konması halinde dayanım %30 azalırsa, %20 eksik konması halindeki azalma %60'ı bulabilir. c) Agrega etkisi: Betonun mekanik özelliklerine en çok etki eden çimento agrega arasındaki aderansdır. Aderansın kuvvetli oluşu, betonun dayanımını iyi yönde etkilemekle beraber plastik davranışlarını da kısıtlar. Kuvvetli aderans için agreganın sahip olması gereken bazı özellikleri: Agrega taneleri dayanıklı olmalıdır. Çimentonun priz yapmasını geciktirici, sertleşmesini ve bileşimini engelleyici, boşluk yapan ve beton donatısını korozyona uğratan zararlı madde içermemelidir. 20 5
Agrega granülometrisiöyle ayarlanmalıdır ki çimento kumun boşluklarını, kumda çakılın (iri agreganın) boşluklarını dolduracak şekilde olmalıdır. d) Dış Etkiler (Kür koşulları): Kür (çevre) koşulları, katılaşma ve sertleşme sürecinde çimentonun hidrastasyonuyavaşlatma ve hızlandırma etkisi göstererek betonun erken dayanımını etkili olmaktadır. Katılaşma ve sertleşme sürecinde betona uygulanan çevre koşullarına (dış etkilere) kür koşulları denir. Kür koşulları: Sıcaklık, Rutubet (nem), Buhar kürü, Basınçlı buhar kürü olmak üzere farklı şekillerde olabilmektedir. 21 Nemi yüksek tutmak, hatta ortamı neme doygun tutmak kaydıyla sıcaklık 60 o C nin üstüne çıkarılarak betondaki dayanım artışı hızlandırılabilir. Bu işleme ısıl işlemle atmosfer basıncında buhar kürü denir. Bu yöntemlerle beton çok kısa sürede (1-2 gün) istenilen dayanıma erişir. Prefabrik beton yapı elemanlarının üretiminde bu yöntemlerden yararlanılır. Gerekli sertleşme (dayanım) süreleri olgunluk derecesi kavramına dayanılarak saptanabilir. Olgunluk Derecesi (O.D.), sıcaklık ve zamanın etkisini birlikte belirten bir büyüklüktür. Olgunluk derecesinin uygulama alanı beton kalıbının alınma süresini belirlemektir. Qi : Betonun sıcaklığı, bu sıcaklık çevrenin sıcaklığı olarak alınır. ti : Qisıcaklığında geçen gün (veya saat) cinsinden zamandır. 22 6