YENİ NESİL ERKEN YAŞ YÜKSEK DAYANIMLI ÇİMENTO BAĞLAYICILI ONARIM MALZEMESİ Doç. Dr. Mustafa ŞAHMARAN Gazi Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü
Yapılar Kaliteli Yaşamı Destekler mi?
Hayatımızda Beton Beton dünyada en yaygın biçimde kullanılan yapı malzemesidir. Dünya çapında yıllık üretim miktarı yaklaşık 13 milyar ton seviyelerindedir. İnsanoğlu sadece suyu betondan daha yüksek oranda tüketmektedir.
Yapımı kolay Neden Beton? Su, çimento, kum, çakıl.. Kolay şekil verilebilir Güvenli Akıcı, püskürtülebilir.. Yangına ve depreme dayanım.. Tarihsel olarak kanıtlanmış 100 yılı aşkın servis ömrü.. Ekonomik
Betonarme Yapılardaki Problemler Aşırı yüklemeler altında güvenlik eksikliği Uzun süreli kullanımda dürabilite (çevresel etkilere karşı dayanıklılık) eksikliği Sürdürülebilirlik açısından zayıf oluşu beton yapıların çevreye olumsuz etkileri
Beton Daha Dayanıklı ve Sürdürülebilir Olabilir mi? Betonarme elemanların dürabilite zayıflıkları Geçirimsiz Çatlakların yok edilmesi Enerji tüketimi ve çevreye etkileri Endüstriyel atıklar (uçucu kül, cüruf ) Servis ömrünün arttırılması Aşırı yüklemelere karşı dayanımı Yüksek süneklik Yüksek dayanım
Beton Daha Dayanıklı ve Sürdürülebilir Olabilir mi? Sorun Evet! 100+yıl Tasarlanmış Çimento Bağlayıcılı Kompozitler Çözüm (ECC)
Çok Tabanlı Tasarım Yaklaşımı Kompozitin Mekanik ve Dürabilite Özellikleri çimento kum Reolojik Kontrol Sabit ve Kararlı Durum Çatlak Analizleri Çatlak Boyunca Agreganın/ Liflerin Köprüleme Özelliği uçucu kül Mikro-mekanik Matris, Lif, Arayüz arayüz Mikro-yapı
Griffith Çatlak & Düz Çatlak Şekil değiştirme yumuşaması Griffith Tipi Çatlak Normal Lif Donatılı Beton Kırılmış veya yumuşamış yaylar Kararlı Durum Düz Çatlak s ss ECC Şekil değiştirme sertleşmesi
Çimento Bağlayıcılı Kompozitler (ECC)
ECC nin Avantajları Kırılgan yüksek dayanımlı beton Sünek ECC
Geleneksel ECC Karışım Tasarımı Malzemeler Oran Çimento 1 Kum 0.8 Uçucu kül 1.2 Su azaltıcı katkı 0.013 Su 0.58 PVA Lifleri (%) 2 çimento Uçucu kül kum PVA Lifleri
Bağlayıcı Malzeme Tipinin Lif Yüzey Özelliklerine Etkisi 10-100 nm 50 mm Kaplamasız 1.2% su itici yağ kaplamalı Portland Çimentosu
Bağlayıcı Malzeme Tipinin Arayüz Özelliklerine Etkisi Hidrate olmamış uçucu kül Aşınmış lif yüzeyi Uçucu Kül Uçucu kül Öğütülmüş Yüksek yüksek Fırın fırın cürufu
Bağlayıcı Malzeme Tipinin Arayüz Özelliklerine Etkisi C O Al Si Düşük karbonlu C: 3.75 wt% O: 31.73 Mg: 2.00 Al: 5.67 Si: 12.10 Ca: 44.74 Ca C O Al Si Yüksek karbonlu C: 9.11 wt% O: 30.96 Mg: 1.35 Al: 5.01 Si: 11.23 Ca: 42.34 Ca
Amorf Karbon ile Lif Yüzeyinin Kaplanması Dokunulmamış PVA Lifi Lif yüzeyinde karbon taneciklerinin toplanması
ECC PERFORMANS ÖZELLİKLERİ
Kısıtlanmış Rötre Kısıtlanmış rötre deneyi (AASHTO PP-34-99 a benzer) Kısıtlanmış rötre halkaları Çelik halka Mikroskop Çatlak ölçümü Numune
Geçirimlilik Referans beton: 1mm çatlak genişliği Geçirimlilik= 1.0 m/s ECC: 80µm çatlak genişliği Geçirimlilik = 1x10-11 m/s ECC nin geçirimliliği çatlaksız betonla eşdeğerdir.
Donma Çözülme Direnci ASTM C 666-A Beton kiriş numunesi: 110 çevrim sonucunda kırılmıştır Dürabilite faktörü = 10 Numunelerde ciddi bozulma ve pullanmalar olmuştur ECC kiriş numunesi: 300 çevrimini tamamlamıştır Dürabilite faktörü = 100 Numunelerde çok az pullanma gözlenmiş, ancak bozulma meydana gelmemiştir ECC_1 ECC-Matris ASTM C 672 ECC_2
ASR Direnci Hızlandırılmış Harç Çubuğu Testi (ASTM C 1260) Reaktif agreganın bulunduğu durumlarda dahi ASR ECC için sorun teşkil etmemektedir. Yüksek hacimlerde mineral katkı kullanımı PVA liflerinin varlığı (%2 lik PVAlif hacmi genleşmeyi %15 oranında azaltmaktadır).
Paslanma Direnci a) Paslanma sonrası geleneksel harç numunesi b) Paslanma sonrası ECC
Yük, P (kn) Kabuk Atma Direnci 50mm 120mm 120mm 35 30 ECC2 25 20 15 ECC1 10 5 0 Beton 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Dairesel şekil değiştirme (mm) 50mm Beton ECC 120mm
Kaplama Özellikleri Beton kaplama: Gevrek kırılma şekli Yansıma çatlağına düşük direnç Yüksek bağ ayrışması ECC kaplama: Sünek kırılma şekli Kopma, yapraklanma ve yansıma çatlağı oluşumuna karşı direnç Yayılma ve yakalama mekanizması Yüksek enerji yutma kapasitesi Eğilme altında bağ ayrışmasından bağımsız kırılma
ECC de Kendiliğinden İyileşme Kendiliğinden iyileşme: hasara maruz kalmış betonun çatlaklarını çeşitli mekanizmalar aracılığıyla kapatması CaCO 3 oluşumu Çatlak Yolu Devam eden hidratasyon
Geçirimliliğin Azalması Çatlak yolu Kİ Sonrası CaCO 3 Oluşumu Kİ Öncesi CW = 80 mm CW = 100 mm
Mikro-yapısal Gözlemler Tekrarlı önyüklemeler sonucunda aynı noktadan birçok kez iyileşme
Geleneksel Beton - ECC Özellikler Geleneksel Beton ECC Boyutsal uyumluluk Zayıf Geleneksel betonla çok uyumlu Şekil değiştirmesi kapasitesi 0.01% - 0.02% ~ 2-5% (yaklaşık 200-500 kat daha sünek) Eğilmede çekme dayanımı (MPa) 4-7 10-14 (yaklaşık iki kat daha yüksek) Basınç Dayanımı (MPa) 30-60 30-180 (üç kata kadar daha yüksek) Kısıtlanmış rötre çatlak genişliği 1 mm 0.03 mm Geçirimlilik (m/s) 1.7 x 10-5 2.5 x10-10 (çok düşük geçirimlilik) Dona karşı dayanım Hava sürüklenmişse iyi En az hava sürüklenmiş beton kadar dayanıklı Yorulma mukavemeti Zayıf Geleneksel betona oranla onlarca kat daha iyi Çatlama/Tabakalanma Korozyona dayanım Darbe dayanımı Kendiliğinden iyileşme kabiliyeti Gevrek Zayıf Zayıf Zayıf/Yok Sünek Üst Düzey Üst Düzey Üst Düzey
SÜRDÜRÜLEBİLİR YENİ NESİL ONARIM MALZEMESİ GELİŞTİRİLMESİ İHTİYACI
Sürekli Bozulan Altyapı Beton altyapıların performansındaki azalmalar genellikle çatlak oluşumuyla ilişkilidir. Azalan yapısal performans çoğu zaman hızlı bakım/onarım ihtiyaçlarını doğurmaktadır. Onarım uygulamaları için gerekli maliyet Avrupa da halihazırda yeni inşaat yapım maliyetini aşmış durumdadır. Çatlak oluşumu sebebiyle sürekli daha kötü bir hal alan yapısal bozuklukların tamirinde kullanılan geleneksel onarım malzemelerinin yarısı saha koşullarında kısa sürede kullanılamaz hale gelmektedir.
Erken Yaş Yüksek Dayanımlı Onarım Malzemeleri için Sınır Değerler Kalifornia Ulaştırma Departmanı na göre, minimum 2.76 MPa eğilme dayanımı New Jersey Ulaştırma Departmanı na göre, 6 saat sonunda minimum 20.7 MPa basınç dayanımı ve 2.41 MPa eğilme dayanımı Michigan Ulaştırma Departmanı na göre 2 saat sonunda 13.8 MPa, 4 saat sonunda 17.2 MPa ve 28 gün sonunda 31 MPa minimum basınç dayanımı Parker ve Shoemaker (1991) a göre, en az 13.8 MPa lık basınç dayanımı Zia ve arkadaşları na (1991) göre ilk 4 saat içerisinde en az 20.7 MPa ve ilk 24 saat içerisinde en az 34.5 MPa lık basınç dayanımı ABD Federal Karayolu İdaresi ne göre, 3 saat sonunda en az 6.9 MPa, 24 saat sonunda ise 20.7 MPa lık basınç dayanımı
İdeal Onarım Malzemeleri Ne Gerekli? Yüksek Dayanım YENİ NESİL ERKEN YAŞ YÜKSEK Düşük DAYANIMLI Süneklik ÇİMENTO BAĞLAYICILI rötre ONARIM MALZEMESİ Üstün bağ performansı
Hedefler 6 saat sonunda minimum 20 MPa basınç dayanımı Düşük erken yaş rötresiyle beraber yüksek süneklik Alt tabaka malzemesiyle üstün bağ oluşumu Birbirinden tamamen farklı tasarım yaklaşımlarına sahip parametrelerin eş zamanlı olarak elde edilmesi
HES-ECC Karışım Tasarımı ve Özellikleri Erken yaş yüksek dayanımlı çimento (CEM I 52.5R) Öğütülmüş yüksek fırın cürufu Kuvars Kumu Hafif Agg.(Genleştirilmiş Perlit) Sentetik lif Su Su azaltıcı katkı Priz hızlandırıcı PS boncuklar Geleneksel onarım malzemesi Cüruf HA Alt tabaka betonu (28 gün day. 30 MPa) Çimento Kum Lif
HES-ECC Karışım Oranları Bileşenler HES-ECC_1 HES-ECC_2 HES-ECC_3 Kontrol 50% Kontrol 50% Kontrol 50% ATB Toplam su 0.41 0.41 0.37 0.37 0.34 0.34 0.45 CEM I 52.5R 1 1 1 1 1 1 - CEM I 42.5R - - - - - - 1 Cüruf 0.75 0.83 0.60 0.60 - - - İri agrega - - - - - - 0.43 İnce agrega - - - - - - 0.44 Silis kumu 0.82 0.41 0.73 0.37 1.09 0.55 - HA (Perlit) - 0.14-0.12-0.19 - PVA lifleri, % 2 2 2 2 2 2 - Su azaltıcı katkı 0.019 0.011 0.015 0.010 0.010 0.004 0.004 Priz hızlandırıcı 0.016 0.017 0.015 0.015 0.014 0.014 - Hava sürükleyici - - - - - - 0.001 Toplam [S/(PÇ+C)] 0.23 0.23 0.23 0.23 0.34 0.34 0.45 C/PÇ 0.84 0.84 0.60 0.60 - - -
Karışımların Test Edilmesi Basınç dayanımı (50 mm küpler, 6 s, 24 s, 28 g) Eğilme parametreleri (dayanım, sehim) (360x75x50 mm kirişler, 6 s, 24 s, 28 g) Otojen rötre kanalları 1000x90x60 mm, 2s ten 7 güne kadar) 95±5% BN, 23±2 o C Teflon levhalar 50±5% BN, 23±2 o C Teflon LVDT ler
Karışımların Test Edilmesi Bağ Özellikleri Eğik Kesme Direk çekip koparma Pürüzsüz yüzeye sahip, donatısız, 3 cm kalınlığındaki 1 yıllık alt tabaka betonu. 5 cm çapa sahip, 1.5±0.5 cm derinliğe kadar delinmiş karotlar
SONUÇLAR VE TARTIŞMA
Mekanik Özellikler Karışım Adı Basınç dayanımı (MPa) Eğime dayanımı (MPa) Sehim (mm) 6s. 24s. 28g. 6s. 24s. 28g. 6s. 24s. 28g. HES-ECC_1 HES-ECC_2 HES-ECC_3 Kontrol 26.9 64.4 95.1 8.0 9.5 11.1 3.6 2.7 1.0 i_50% 22.0 47.2 82.5 7.9 8.9 11.3 3.7 3.3 2.4 Kontrol 33.6 68.4 93.0 8.7 10.0 12.5 2.8 2.0 1.2 i_50% 28.3 51.3 78.4 7.8 9.1 11.5 3.7 3.1 2.2 Kontrol 29.6 56.2 75.7 7.2 8.6 10.2 2.3 1.9 1.0 i_50% 19.0 36.5 51.2 6.2 6.9 9.5 3.4 2.9 2.2 Onarım Malzemesi 21.9 45.1 76.0 5.1 5.7 8.1 0.57 0.45 0.31
Otojen Rötre Sonuçları Otojen rötre Karışım Adı (µε) 24s. 7h. HES-ECC_1 HES-ECC_2 HES-ECC_3 Kontrol 1336 1627 İ_50% 360 802 Kontrol 1271 1471 İ_50% 432 796 Kontrol 666 706 İ_50% -113-140 Onarım Malzemesi 98 96
Eğik Kesme Deneyi Karışım Adı HES-ECC_1 HES-ECC_2 HES-ECC_3 Bağ dayanımı (MPa) Kırılma şekli 1 gün 7 gün 28 gün 28 gün Kontrol 8.4 22.9 24.2 İ_50% 5.5 17.6 20.8 Kontrol 9.2 24.0 25.6 İ_50% 7.5 20.0 23.8 Kontrol 7.1 17.0 20.8 İ_50% 4.7 15.7 19.0 OM 6.9 18.0 21.6 ACI bağ dayanım aralığı *Varyasyon katsayısı %6 dan az Tamamı alt tabakadan Tamamı alt tabakadan Tamamı alt tabakadan 2 si eğik ara yüzeyden 1 i monolitik şekilde 3 ü alt tabakadan 2.8 ile 6.9 6.9 ile 12.4 13.8 ile 20.1 -
Direk Çekip Koparma Deneyi Karışım Adı Bağ dayanımı (MPa) Kırılma şekli 1 gün 7 gün 28 gün 28 gün HES-ECC_1 Kontrol 1.93 1.85 1.79 6 alt tabakadan, 2 arayüzden İ_50% 2.12 2.18 2.22 Tamamı alt tabakadan HES-ECC_2 Kontrol 2.13 2.07 1.98 Tamamı alt tabakadan İ_50% 2.45 2.53 2.64 Tamamı alt tabakadan HES-ECC_3 Kontrol 1.83 1.81 1.87 5 alt tabakadan 3 arayüzden İ_50% 1.93 2.05 2.11 Tamamı alt tabakadan OM 1.51 1.54 1.72 3 onarım malzemesinden 3 arayüzden 2 alt tabakadan *Varyasyon katsayısı %15 ten az
Sonuçlar Çok yüksek sünekliliğe sahip HES-ECC, yapıların daha güvenli, dayanıklı ve sürdürülebilir olmasına katkıda bulunacaktır. Deprem kuşağında olan ülkemizdeki yeni yapılacak olan veya depreme karşı güçlendirilecek olan yapılar için geleneksel beton kullanımına göre daha ekonomik ve teknik açılardan önemli avantajlar elde edilecektir. Mikro-mekanik tasarım yöntemleri, HES-ECC tasarımlarında kullanılan güçlü bir araçtır. Fakat bu tasarım yöntemi mikro-yapısal ve reolojik kontrol çalışmaları ile birlikte dikkate alınarak çok daha yüksek performanslı kompozitler daha ekonomik ve dayanıklı bir şekilde geliştirilebilir. Geliştirilen bu çimento esaslı kompozit, kendiliğinden iyileşme yeteneği sayesinde çatlaksız, ve dayanıklı ve sünek yapısı ile yapıların güçlendirme faaliyetlerinde, karayolu ve havalimanlarının rijit ve esnek üstyapı kaplamalarında başarılı biçimde kullanılabilecektir. Birbirinden bağımsız tasarım parametrelerine sahip özellikleri aynı anda barındıran HES-ECC karışımlarının sürdürülebilir onarım ihtiyacını tam anlamıyla karşılayacağı düşünülmektedir.
Sonuçlar
TEŞEKKÜRLER