agregalar 5 Paki Turgut Kaynaklar 1) Turhan Y. Erdoğan, Beton 2) İlker Bekir Topçu, Beton Teknolojisi, 2006. 3) Domone P, Illston J, Construction Materials, 4th Edition 4) Mindess S et al., Concrete, 2nd Edition 5) Hewlett P, Lea's Chemistry of Cement and Concrete, 5th Edition 6) Mehta PK, Monteiro PJM, Concrete: Microstructures, properties, and materials 7) Portland Cement Association
Beton hacminin yaklaşık %70'ni oluşturur. Doğal kayaçların yanında (kırmataşyada çakıl), endüstriyel atıklardan da elde edilebilir. Ağır veya hafif beton yapımı için özel olarak ta üretilebilir. Normal ağırlıklı betonun dayanımı agrega tipine bağlı değildir. Yüksek dayanımlı betonun bağlıdır. Yumuşak ve boşluklu kayaçlar tercih edilmez, karıştırma esnasında kırılabilirler ve ince tane oluştururlar. Agregalar sert ve dayanımı yüksek olmalıdır. Sert ve dayanımı yüksek agregalar dayanımı yüksek beton verir. Agregalar dayanıklılığı iyi olmalıdır. Aşınma, yırtılma ve bozunma olmamalıdır. Çimento ile kimyasal reaksiyona girmemelidir. (REAKTİFLİK) Agregalar kil, silt ve organik maddeler içermemeli, temiz olmalıdır.
DAYANIKLILIK Beton Donma-çözülme direnci Islanma-kuruma direnci Isınma-soğuma direnci Aşınma direnci Alkali agrega reaksiyonu Büzülme ve sünme Ekonomiklik Dayanım Birim ağırlık Isıl genleşme Elastisite modülü Kaymaya direnç Isıl iletkenlik Özgül ısı ETKİLEŞİM Agrega Sağlamlık, porozite, boşluk yapısı, geçirgenlik, doyma derecesi, çekme dayanımı, yüzey şekli Boşluk yapısı, elastisite modülü Isıl genleşme katsayısı Sertlik Reaktif silis varlığı Elastisite modülü, tane şekli, gradasyon, temizlik, en büyük tane boyutu, kil minerali varlığı Tane şekli, gradasyon, en büyük tane boyutu, gerekli işlem miktarı, bolluk durumu Dayanım, yüzey yapısı, temizlik, tane şekli, en büyük tane boyutu Özgül ağırlık, tane şekli, gradasyon, en büyük tane boyutu Elastisite modülü, ısıl genleşme katsayısı Elastisite modülü, Poisson oranı Cilalanabilme durumu Isıl iletkenlik Özgül ısı
Agrega kaynakları Savak Silt yıkama Agrega toplama Gemi vakum Serbest yüz Kaya patlatma şekilleri Serbest yüz
Kırıcılar ve kırma mekanizmaları Basınç Kesme Çarpma Sürtünme
Agrega seçimi Çok gevrek agrega Beton için Çelik Agrega Elastisite modülü (GPa) E/EBD Kil briket Silt briket Yol malzemesi Eksenel basınç dayanımı (MPa)
Agreganın yıkanması ve elenmesi Killi çakıl girişi Döner hazne Döner elek Uygun olmayan çakıl İri çakıl İnce çakıl Havuz Çamurlu su çıkışı Yıkanmış-elenmiş agregalar
Spiral kumun derecelendirici Spiral Filler çıkışı %10 katı İri kum %90 katı %30 katı Kum bulamacı girişi %20
Titreşimli eleme Eleme kapasitesi Düşük kapasite düşük verim Elek besleme tabakası Eleme yönü Yüksek kapasite normal verim Elek altı Eleme kapasitesi Orta kapasite Yüksek verim İri Eleme kapasitesi, ton/saat Kare elek göz açıklığı, mm
Kum sınıflandırma üniteleri ince kum Kum besleme ince kum Kum besleme ince kum (taşma) Sallanma bölgesi Yukarıya doğru su akışı İri kum ürün (fluidized-bed, akışkan yatak) Sulu kum besleme iri kum (Boşalma) ince çamur Kesit V şeklinde iri orta ince ürünler
Numune hazırlama uzunluk 100-200 m, yükseklik 3-4 m kesit Numune miktarı= (6x5x10kg)+(4x2x10kg)=380kg toplam 380kg numune yayılır, çeyrek alınır 50kg laboratuvara iri taneler yığının alt kısmına nemli ince taneli bölge oldukça temiz deniz kumunda tuz burada birikir kalan açı o 35-40 iri taneler yığının alt kısmına
Zararlı bileşenler Agrega üzerinde kil tabakası Kil yumruları ve değişmiş kayaç parçacıkları Kılcallık ve mikroboşluklu tanecikler Kömür ve hafif tanecikler Zayıf ve yumuşak tanecikler Organik maddeler Mika * Kloridler Sülfatlar Demir sülfür Çözünebilir kurşun, çinko ve kadmiyum Alkali-reaktif unsurlar Salınabilir alkaliler Ana etki İlave etki i çimentonun priziyle kimyasal etkileşim Betonda yan etkisi i ii iii iv v ii çimento hamuru ile agrega arasındaki fiziksel bağın önlenmesi iii taze betonun özellikleri, dayanıklılık, sertleşmiş beton özelliği ni etkileme iv sertleşmeden sonra hidratasyon devam ederken genleşme ve çatlama-çimento hamuru ve agrega etkileşimi sonucu v agregaların kendi aralarındaki zayıflığı ve dayanıklılıkta sorun * beton içerisindeki donatının korozyonu
Agregaların dayanıklılık problemleri Alkali-agrega reaksiyonu Alkali-silika Alkali-karbonat Suya doygunluk Alkali-silika reaksiyonu Alkali Uçucu kül Çimento Agrega Reaktif silika 1920'li yıllarda farkedildi! Agregada reaktif silis, çimentodan alkalilerle reaksiyon Boşluklu jel yapısı oluşur ve bu jel suyu emerek şişer. Şişme sonucunda beton genleşir ve çatlar. Betonun ilk yapımından 5-10 yıl sonra ortaya çıkar. Donma-çözülmeye karşı direnç Donma - çözülmede müsaade edilen kayıp (% ) Agrega sınıfı İnce agrega İri agrega Magnezyum Sülfat Çözeltisi TS ASTM TS ASTM 15.0 18.0 Sodyum Sülfat Çözeltisi 10.0 12.0 22.0 27.0 15.0 18.0 Zararlı maddeler
Alkali-silika reaksiyonu nasıl belirlenir? ASR jeli için Sodyum kobalnitrit ve rodamin B lekesi Önce Sonra stereo mikroskop
Petrografik inceleme İnce kesit
Environmental SEM ASR gel
ASR mekanizması İki farklı jel oluşur Genleşmeyen kalsiyum-alkali-silikat-hidrat C-N(K)-S-H Genleşen alkali-silikat-hidrat N(K)-S-H Bu iki jel aynı anda oluşursa, hasar çok şiddetli! Boşluk suyu çözeltisi + + + - H O, Na, K, Ca,OH, H SiO 2 3 4 Çözeltideki alkalilerden ziyade çözeltinin alkaliliği önemlidir. Reaktif siliste depolimerizasyon ayrışma şişme Ne kadar fazla alkalilik, o kadar daha fazla çözünebilir silika
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Portland çimentosunun oksit kompozisyonu SiO 2 20.55 Al2O 3 5.07 Fe2O 3 3.10 CaO 64.51 MgO 1.53 K2O 0.73 Na2O 0.15 SO 3 2.53 Kızdırma k.1.58 Alkaliler: çimentonun çok az bir kısmı + - K2O + H2O = 2K + 2OH + - Na2O + H2O = 2Na + 2OH ph değerini 13.2-14'e çıkarırlar
A l k a l i v e k a l s i y u m i y o n l a r ı şişkin agrega içerisine difüze olur. Agrega içerisinde genleşmeyen bir ürün olan diğer bir deyişle CSH'a benzer alkali bir ürün o l a n C - N ( K ) - S - H o l u ş u r. CH'ın çözünürlüğü alkali konsantrasyonu ile ters orantılıdır. N(K)-S-H'nin viskozitesi düşüktür ve kolay bir şekilde difüze olur(c-n(k)-s-h böyle değildir). İkisinin birlikte oluşması durumunda, boşluk miktarı az kompozit bir yapı meydana gelir. Boşluk çözeltisi, C-N(K)-S-H vasıtasıyla silikate difüze olur. Difüzyon hızı ve alkali konsantrasyonuna bağlı olarak, sonuçlar çok tahrip edici olabilir. N(K)-S-H ozmotik etkiden dolayı suyu çeker, şişer ve yerel çekme gerilmeleri oluşturur ve sonuçta beton çatlar. CaO konsatrasyonu %53'ten büyük ya da daha fazla hidrate olmamış C-N(K)-S-H varsa, genleşmeyen bir jel oluşur. Yüksek alkali konsantrasyonunda CH'ın çözünürlüğü azalır, böylece CaO içermeyen genleşmesi düşük N(K)-S-H jeli oluşur.
Agrega içerisindeki reaktif silika miktarı artarsa, niçin genleşme azalır? Genleşme % Agrega içerisindeki reaktif silika miktarı %
o Beton, nemli kür, 20 C Opalin silika Agrega kırmataş değil 3 Na2O= 5kg/m Genleşme % Sembol Reaktif tane boyutu, mm 0.15-0.30 0.30-1.20 2.50-5.0 7.0 13 Betonun yaşı, gün
Genleşme % Çimentonun alkali miktarı %.
Alkali-silika reaksiyonunu önlemeye yönelik yaklaşımlar Malzemelerin seçimi Agrega Geçmişteki performansı Petroğrafik inceleme (ASTM C295) Hızlı harç testi (ASTM C1260) Alkali-silika reaktivitesi Sağlanmıyorsa, agrega RED ya da ISLAH Beton prizme testi (ASTM C1293) Bağlayıcı malzeme Katkılar Günümüz çimentoları, çok ince, C S ile alkali ve sülfat miktarı çok fazla 3 ASR potansiyeli varsa, karışımın alkaliliğini azalt 3 Toplam alkali< 3kg/m Portland çimentosunu uçucu kül ve granüle y.f cürufla harmanlamak Düşük alkalili çimento (eşdeğer Na2O< % 0.6) Oranlama ve karışım hesabı Sertleşmiş beton testi
Düşük kireçli (F sınıfı) uçucu kül daha etkili, çünkü CH'i CSH'a dönüştürür. Böylece, alkalileri bloke eder, hamurun geçirgenliğini azaltır. Granüle yüksek fırın cürufu, CH' ve geçirgenliği azaltır. Silis dumanı kaldırımlarda kullanılmaz ancak köprülerde kullanılır. C sınıfı uçucu kül alkaliliği önemli derecede artırabilir. ASR riski varsa, KULLANILMAMALIDIR.
ASR önleyen kimyasal katkılar Lityum türü katkılar oldukça etkilidir. Lityum nitrat oldukça etkili ve temini kolay Ancak pahalıdırlar. O O N O Li Mineral katkılar daha ekonomik ve ayrıca geçirgenliği azaltırlar.
Genleşme % ASTM C227 genleşme sınırı Uçucu kül %0 %10 Genleşme % ASTM C227 genleşme sınırı eşdeğer Na2O %0. 90 %0.6 %20 Zaman, ay Zaman, ay
Alkali karbonat reaksiyonu Dolomit içeren kalkerden dolayı oluşur. Çok ince tane yapısına sahip dolomit Yeterli miktarda ince taneli kalsit Doku içinde bol miktarda kil Dolomit ve kalsit kristalleri kil matris içerisinde yayılmış Rombik yapılı kalsit kristalleri (CaMg(CO ), ince teneli 3 2 kalsit Ca(CO ) kil ve yaygın silt boyutlu kuvars içinde 3 katılaşır. Mekanizması pek anlaşılamamıştır. Kalsit ve brusit içindeki dolomitin yapısını bozulması CaMg(CO ) + 2MOH = Mg(OH) + CaCO + M CO 3 2 2 3 2 3 Alkali karbonat, alkali hidroksit oluşturmak için CH ile reaksiyona girer. Na CO + Ca(OH) = 2NaOH + CaCO 2 3 2 3 Çok düşük alkali çimento kullanmak faydalı olabilir, Buz çözücü tuzlar durumu daha da kötüleştirir. Tamamen önlemek mümkün değil! Testler ASTM C586 ve ASTM C1105
TANE ŞEKİLLERİ kuvvet Boşluk Pompa borusu sıkışma Eğilme kırılması
0.9 küresellik=nominal çap/maksimum uzunluk küresellik=ortalama yarıçap/maksimum yarıçap küresellik 0.7 0.5 Şekil, yüzey yapısı ve elastisite mod. dayanımlara etkisi % Şekil Yüzey durumu Elastisite modülü Eğilme dayanımı 31 26 43 Basınç dayanımı 22 44 34 0.3 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 toparlaklık düşük küresellik yüksek çok köşeli köşeli yarı köşeli yarı toparlak toparlak oldukça toparlak
GRADASYON, TANE BÜYÜKLÜĞÜ DAĞILIMI Çimento hamuru miktarını azaltır. Hamur miktarının en az olması istenir. İşlenebilirlik, dayanım ve dayanıklılığı iyileştirir. Çimento hamuru miktarı agregalar arası mesafe ile ilgilidir. Üniform (tek düze) tane büyüklüğünde fazla hamur gerekir. Küçük tane boyutu daha fazla hamur gerektirir. Çok sıkı paketleme işlenebilirliği azaltır. Üniform boyut Sürekli gradasyon Büyük boyutların küçüklerle yer değişirmesi Kesikli gradasyon İnce malzemesiz
Geçen % kesikli granülometri Sıkı granülometri Boşluklu granülometri Tane boyutu (mm) Kütle betonu yapımında agreganın ısıl özellikleri önemlidir.
Elek boyutları Türk standartlarında kullanılan kare delikli eleklerin elek göz açıklıları mm olarak şöyledir; 125; 90; 63; 31.5; 16; 8; 4; 2; 1; 0.5; 0.25; ASTM standardında mm olarak şöyledir; 100; 90; 75; 63; 50; 25; 19; 12.5; 9.5; 4.75; 2.36; 1.18; 0.60; 0.30; 0.15 İnce ve iri agregayı ayıran elek boyutu, Türk standartlarında 4 mm, ASTM standartlarında ise, 4.75 mm dir.
Elek analizi Elek analizini yapabilmek için, standart boyuttaki elekler büyükten küçüğe doğru elek sarsma makinesinin üzerine yerleştirilir. En alt kısma deliksiz toplama kabı konur. Agrega 110±5 o C sıcaklıkta değişmez ağırlığa gelinceye kadar kurutulur. Numune en üstteki eleğe yerleştirilir ve sarsma işleminden sonra her bir elek üzerinde kalan agrega miktarları tartılıp kaydedilir.
Elek analizi ve granülometri eğrisi Standart elekler (mm) 63.0 31.5 16.0 8.0 4.0 2.0 1.0 0.5 0.25 Kap TOPLAM Elek üzerinde kalan miktar (gr) 0 5200 2220 4580 1780 2020 1200 1400 1020 580 20000 Elek üzerinde kalan miktar (%) 0.0 26.0 11.1 22.9 8.9 10.1 6.0 7.0 5.1 2.9 Elek üzerinde kalan yığışımlı miktar (%) 0.0 26.0 37.1 60.0 68.9 79.0 85.0 92.0 97.1 100.0 Elekten geçen miktar (%) 100.0 74.0 62.9 40.0 31.1 21.0 15.0 8.0 2.9 0.0 Elekten geçen miktar (%) Elek göz açıklığı, mm Gradasyon eğrisine bakarak ince agrega (kum) miktarını bulmak mümkündür. Yukarıdaki eğride, karışım içerisindeki kumun miktarı %31.1 dir. Bu eğriyi kullanarak, belirli bir agrega boy gurubuna giren agrega miktarını da bulmak mümkündür. Örneğin, 31.5mm ve 16mm açıklıklı eleklerden geçen miktarlar sırasıyla %74.0 ve %62.9 dur. O halde, 31.5mm' den küçük ve 16mm' den büyük olan tanelerin miktarının, toplam numune içerisinde %74.0-%62.9=%11.1 olduğu görülmektedir. İncelik modülü neyi ifade eder? Nasıl hesaplanır?
Betonda kullanılan agreganın en büyük tane büyüklüğü, beton karışımında yer alan malzemelerin miktarlarını etkilemektedir. Bu durum, su/çimento=0.5 ve çökme değeri 7 cm 3 olan 1 m 3 beton için aşağıdaki tabloda verilmektedir. En büyük tane boyutu (mm) Malzeme 8 16 31.5 63 Su (kg/m3) Çimento (kg/m3) İnce agrega (%) Hapsolmuş hava (%) 190 380 74 3 167 334 56 2 160 320 47 1 147 294 38 0.5
Kesikli granülometri 100 80 Geçen % 60 40 20 0 75 150 300 600 1.20 2.36 5.0 10.0 20.0 Elek boyutu, mm Kesikli granülometriye sahip olan agregalar ile daha Nerelerde kullanılır? ekonomik bir beton üretilebilir. İstenilen işlenebilirlik için, daha az kum gerekir ve böylece, istenilen çökme miktarı için daha az çimento ve düşük su/çimento oranı elde edilir. Böyle bir gradasyonun avantajlı olmayan tarafı ise, taze betonda segragasyonun oluşmasıdır. Bu nedenle, kesikli granülometrinin, vibrasyonla sıkıştırılacak olan düşük işlenebilirliğe sahip olan rijit karışımlarda kullanılması uygundur.
Yoğunluğu en büyük yapan gradasyon bağıntısı Fuller ve Thompson bağıntısı (1907) n P=(d/D) P: elekten geçen % D: en büyük agrega boyutu d: elek boyutu n: kalınlık ve inceliğe göre katsayı birim ağırlığın büyük olması isteniyorsa n= 0.5 alınmalıdır.
Agrega granülometrisi uygun değilse, ne yapılır? Bazen bir agrega numunesinden istenilen oranlardaki tane dağılımı elde edilememektedir. Bu durumda, bu agregayı farklı granülometriye sahip elde mevcut diğer agrega veya agregalarla karıştırmak gerekmektedir. Buna ait bir örnek yanda verilmektedir.
Agreganın granülometrisi uygun değilse, diğer agregalarla karıştırma üzerine bir hesap
Agregalar niçin ocaklarda farklı sınıflara ayrılır? 0-3mm / 3-7mm / 7-15mm / 15-30mm
En büyük agrega tane boyutu ve çimento miktarının dayanıma etkisi Basınç dayanımı, MPa Agreganın en büyük tane boyutu, mm
Agreganın nem durumu W/C oranını etkileyeceği için önemlidir. Fırın kurusu Hava kurusu Suya doygun yüzey kurusu Su emme kapasitesi Suya doygun yüzey kurusu (ssd) durum referans olarak alınır, ancak agregalar gerçekte bu durumda bulunmaz. Su emme oldukça önemli, doğal agregaların çoğunun se emme kapasitesi %1-2 arasında. A=100x(Wssd-Wod)/Wod Etkin su emme EA=100x(Wssd-Wad)/Wssd Islak yüzey Islak SM=100x(Wwet-Wssd)/Wssd
İnce agrega kabarması Yüzeyde oluşan su filmi kum tanelerini zıt yönde iter (yüzey geriliminden dolayı). Karışım hesapları kumun hacmi dikkate alınarak yapılsaydı, hangi olumsuz etkiler ortaya çıkardı? Hacim artışı, kuru kum %si olarak İri İnce Yüzey nemi (ağırlıkça %) Kumun kabarma miktarında önemli olan iki unsur nem ve incelik
Betonda kullanılabilecek en büyük agrega boyutu En büyük tane boyutu; 1/5 en dar kesitli kalıp genişliği 3/4 iki donatı arasındaki en küçük mesafe 1/3 döşeme derinliği
İri ve ince agrega karışımlarında kuru-sıkışık agreganın birim ağırlığının değişimi İnce agrega oranının toplam karışımda %40 olduğunda birim ağırlığın en büyük olduğu görülmektedir. 3 Birim ağırlık (kg/m ) İnce agrega (%)
Agreganın birim ağırlığı (yoğunluğu) Belirli hacimdeki bir kabı dolduran agrega tanelerinin toplam ağırlığının, kabın hacmine bölünmesi ile bulunur. U= Wa/V dir. (gr/cm 3 veya t/m 3 ) Birim ağırlığı etkileyen faktörler; Ø Agreganın gradasyonu Ø Tane şekli Ø Nem durumu Ø Gevşek veya sıkıştırılmış olması Birim ağırlıklar, birim ağırlık kovaları yardımıyla bulunmaktadır. Bu kovaların boyutları Tabloda verilmektedir. En büyük agrega Tane çapı (mm) 4-16 16-32 32-64 Ortalama Kapasitesi (dm 3 ) 3 14 28 İç çapı (mm) 152 244 356 İç Yüksekliği (mm) 165 285 285 Metal Kalınlığı (mm) 3.5 3.5 3.5
Gevşek ve sıkışık birim ağırlıklar nasıl bulunur?
Kum ve iri agreganın yoğunluğunun bulunması
Agrega miktarının hesabı 1 m 3 betonda 178kg su, 315kg çimento ve %1.0 hava yer alacaktır. Agregalar doygun -yüzey kuru durumdadır. Çimentonun özgül ağırlığı 3.15, ince ve iri agrega karışımının doygun-yüzey kuru özgül ağırlığı 2.60 dır. 1m 3 betonda yer alacak agrega ağırlığını hesaplayınız. 1m3 betondaki malzemelerin mutlak hacimleri; Su 0.178/1.0 0.178m 3 Çimento 0.315/3.15 0.100m 3 Hava 0.010m 3 Toplam 0.288m 3 Agrega hacmi (1.000 0.288) 0.712m 3 Agrega ağırlığı 0.712x2.60=1.851ton veya 1851kg
Agrega türlerinin betonun kuruma büzülmesine etkisi 1 yıl sonunda kuruma büzülmesi, % Kumtaşı Damtaşı Granit Kalker Kuvars
Asitlere ve diğer kimyasallara dayanıklılık Silisli agregalar asitlere dayanıklıdır, kalker agregalar asitlerle reaksiyona girer. Ancak kalkerli agregalar beton içindeki asitleri etkisiz hale getirme özelliğine de sahiptir. Ortamda kuvvetli kalsiyum hidroksit varsa, silisli agregaların betonda kullanımı sakıncalıdır. Asit yağmurları (ph= 4.5) betonun yüzey görüntüsünü bozabilir ancak performansını pek etkilemez.
Yangın direnci Betonun yangın direnci agreganın özelliklerine bağlıdır. Örneğin ısı iletimi, ısıl genleşme ve difuzyon özellikleri agregaya büyük ölçüde bağlıdır. Hafif agregalar boşluk içermeleri nedeniyle yangına karşı normal agregalara kıyasla daha dirençlidir. İri kalker agrega içeren betonların yangına direnci, silissi agregalar ya da granitle yapılan betonlara kıyasla daha yüksektir. 590 oc de, kuvarsın hacmi %0.85 kadar artar ve betonda tahribat oluşturur. -6 o Betonda kullanılan agregaların ısıl genleşme katsayıları 0.55-5x10 1/ C arasındadır.
İnce malzemelerin etkisi 75 mikrondan daha küçük taneler, özellikle silt ve killer agrega yüzeyini kaplar ve agrega ile çimento hamuru arasındaki yapışma(bağ) zayıflatır. Kil ve silt miktarının çok fazla olması karışım suyu ihtiyacını artırır. Kömür, odun ve diğer bazı malzemeler betonun yüzeyine yakınsa, beton yüzeyinde patlatma meydana getirir.
Atık beton agregasının tekrar kullanımı Bu tür agregaların su emme miktarı oldukça fazladır. Agrega çapı küçüldükçe su emme miktarı daha fazla olmaktadır. Bu agregalardan yapılan betonların büzülme ve sünme miktarı, yeni agrega ile yapılan betonunkinden % 100 daha fazla olmaktadır. Basınç dayanımında azalmalar da meydana getirmektedir. Ayrıca sülfat ve klor içeriyorlarsa priz sürelerinde anormallikler oluşur. Gecikmiş etrenjitin hasar verici durumunu oluşturabilirler. Ancak yeni agrega ile bir miktar yer değiştirerek kullanılmasına izin verilebilir.