İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ (img-6) Yapı Malzemesi-Bağlayıcı Malzemeler ve Beton Yrd. Doç. Dr. Banu Yağcı Kaynaklar; Prof. Dr. Ahmet TOPÇU, Betonarme I, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, http://mmf.ogu.edu.tr/atopcu Dr. Sinan T. Erdoğan, Prof. Dr. Turhan Y. Erdoğan, Bağlayıcı Malzemelerin ve Betonun Onbin Yıllık Tarihi, ODTÜ Yayıncılık, 2007 Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN, Pamukkale Üniversitesi, Yapı Malzemesi-2, Bağlayıcı Maddeler Ders Notu, Pamukkale Üniversitesi Denizli, 2007 Prof. Dr. Bekir Postacıoğlu, Beton, Bağlayıcı Maddeler, Agragalar, Beton, Cilt 1-Bağlayıcı Maddeler, TKY, İstanbul, 1986 Prof. Dr. Hayri Yalçın, Prof. Dr. Metin Gürü, Çimento ve Beton, Palme Yayıncılık, Ankara, 2006 Prof.Dr. Mehmet Ali TAŞDEMİR, Betonun Dayanım ve Dürabiliteye Göre Tasarımı, Üretimi, Taşınması, Yerleştirilmesi ve Kürü, İMO İstanbul Şubesi Sürekli Eğitim Seminerleri www.benkoltd.com http://www.duzce.edu.tr/~mehmetemiroglu/
YAPI MALZEMESİ OLARAK BETON
Beton çok kolay biçimlendirilebilen bir yapı malzemesidir. Taze beton priz yapmadan önce bir kil hamuru kadar yumuşak ve akışkandır. Buna karşın sertleştikten sonra doğadaki taşlar kadar sert ve sağlamdır. Bu özelliği ile ahşap ve çelik gibi diğer yapı malzemeleri ile kıyaslanamayacak ölçüde kullanışlı bir yapı malzemesidir. Hem arazide hem de fabrikada üretilebilir. BETON BİLEŞENLERİ ÇİMENTO Bileşim Kalite AGREGALAR Boyut Biçim Granülometri İçerik Nem SU İçerik TAZE BETONUN PERFORMANSI Karıştırma Taşıma Yerleştirme Sıkıştırma SERTLEŞMİŞ BETONUN PERFORMANSI Kür
TİPİK DEĞERLER Betonun dökülmesinden sonraki ilk günlerde olmak üzere, betonda görülen hacim küçülmesi rötre (büzülme) olarak adlandırılır. Rötre esas olarak su kaybından ileri gelir. Taze beton henüz plastik kıvamda iken beton içine katılmış olan fazla suyun bir kısmı yüzeyde toplanır. Bu kısa sürede buharlaşır. Suyun bir kısmı da hidratasyon reaksiyonları nedeniyle kimyasal olarak bağlanır. Böylece kısa süre içinde çok fazla su kaybedilmiş olur.
Betonlarda aranan en önemli özellik yüksek bir mekanik mukavemet ve bunun yanında fiziksel ve kimyasal dış etkilere dayanıklılıktır. Mukavemet betonun diğer bütün özelliklerini az çok belirleyen bir parametre olarak kullanılır. Bu nedenle betonlar standartlarda basınç mukavemetleri esas alınarak sınıflandırılır.
Betonun mekanik mukavemet bakımından ilginç bir özelliği de çekme mukavemetinin basınç mukavemetine göre çok küçük olmasıdır. Mühendislikte büyük önem taşıyan bu husus betonarme demiri kullanılması ile giderilmeye çalışılır.
Beton ve çeliğin bir çok özelliklerinin büyük bir şans eseri olarak birbirine uyumlu oluşu, çelikli beton (betonarme) yapıları ön plana çıkarmıştır. Beton içine içine konulan çelik üzerine çok iyi aderans yapar. Sertleşmiş halde beton ve çelik sanki tek bir malzeme gibi hareket eder. Burada önemli olan yalnız beton ve çelik arasındaki aderans değil, beton ve çeliğin termal genleşme katsayılarının birbirine yakın olması ve bunun sonucu olarak, betonarme yapıların sıcaklık değişimleri karşısında benzer şekilde davranış göstermeleridir. Aksi halde betonarme yapıların kullanım alanları son derece sınırlı kalırdı.
Betonarme Eleman Davranışı
Farklı dayanımlı betonların karsılaştırmalı - eğrileri Beton kalitesi (dayanımı) arttıkça kırılma birim kısalması cu daha küçük olur. Bu ise betonun daha gevrek olduğu, kırılmanın da gevrek olacağı anlamına gelir. Gevrek kırılma arzu edilmez. Beton kalitesi (dayanımı) azaldıkça kırılma birim kısalması cu daha büyük olur. Bu ise betonun daha sünek olduğu, kırılmanın da sünek olacağı anlamına gelir. Beton kırılsın istemeyiz, fakat bir nedenle kırılırsa sünek kırılsın isteriz. Çünkü kırılma ani değildir, haber vericidir ve önlem almak için zaman tanır. Elastisite modülü beton kalitesine bağlıdır. Her tür betonda max gerilmeye karşılık gelen kısalma yaklaşık aynıdır, co 0.002 dir. Hem yüksek dayanım hem de süneklik betonarmede birlikte arzu edilen özelliklerdir. Ancak, bu iki özelliği aynı betonda bir arada bulmak mümkün değildir.
BAĞLAYICI MALZEMELERİN TARİHSEL GELİŞİMİ Bağlayıcı madde olarak bilinen ve ince toz halinde bulunan malzemeye su ilave edilerek meydana getirilen hamurun başlangıçta sahip olduğu plastikliği zamanla kaybetme ve bunu izleyerek sertleşme özelliği vardır. Bu özeliği sayesinde bağlayıcı madde, tanelerden oluşan muhtelif malzemede taneleri birbirine bağlamak suretiyle istenilen şekil ve boyutta yapı elemanlarının elde edilmesini sağlar. Bu kısa açıklama bağlayıcı maddelerin yapı mühendisliğinde gayet büyük olanaklara sahip bir malzeme olduğunu ve üzerinde önemle durulması gerektiğini gösterir.
İnce toz halinde olan ve su eklenmesi ile hamur haline geldikten sonra zamanla plastikliğini kaybedip sertleşen, bağlayıcı özelliği olan malzemelere bağlayıcı maddeler denir. İnce toz halindeki bağlayıcı maddelere su eklenince başlangıçta istenilen şeklin verilebildiği plastik bir hamur elde edilir. Belirli bir süre sonra, hamur katılaşmaya başlar. Bu olaya PRİZ denir. PRİZ olayına dayalı olarak 2 çeşit bağlayıcı vardır. 1. Hidrolik bağlayıcılar: Havada ve suda priz yapma özelliği olan ve suda erimeyen bağlacılar. (Çimento) 2. Hava bağlayıcıları: Yalnızca havada priz yapan bağlayıcılar. (Yağlı kireç) Bağlayıcı maddeler arasına bir çok çeşit malzeme girmektedir. Bunların arasında yağlı kireç, muhtelif tür çimentolar, ve alçı en önemlileridir. Yapıların strüktür (taşıyıcı) elemanlarının meydana getirilmesinde en çok kullanılan bağlayıcı madde ise çimentodur.
MÖ 8000 DEN ÖNCEKİ YILLAR (Paleolitik çağ; ateş üretme yöntemlerinin henüz bilinmediği çağ) Killi toprakların bağlayıcılık potansiyeli farkedilmiş ve bu malzemeden bazı basit aletler ve heykelcikler yapılmıştır. KİLLİ TOPRAKLAR Topraklar, fiziksel ve kimyasal olayların etkisiyle doğadaki kayaların zamanla ufalanmasından ve organik malzemelerin çürümesinden ortaya çıkan çok küçük boyutlu taneciklerdir; taneciklerinin boyutuna göre, kil, silt, kum olarak değişik fraksiyonlardan oluşmaktadırlar. Kil taneciklerinin boyutu 0.005 mm'den küçüktür. Killi toprakları oluşturan ana maddeler, hidrate durumdaki silikalar ve alüminalardır. Bunların yanı sıra, killi topraklarda bazı yabancı maddeler de bulunmaktadır: Demir oksit, kalsiyum oksit, magnezyum oksit, alkaliler ve kum, killi toprakların içerisinde küçük miktarlarda yer alan yabancı maddelerdir. O nedenle, değişik tiplerdeki kilin çok kompleks bir kimyasal kompozisyonu vardır. Killi topraklar ıslandıkları takdirde kohezif ve şekil verilebilinir bir durum kazanmaktadır. Böylece, ıslatılmış kilden istenilen boyut ve şekillerde elemanlar üretilebilmektedir. Bu elemanlar kurutulduğu veya pişirildiği takdirde, şekil ve boyutlarını aşırı ölçüde kaybetmeden sert bir malzeme durumuna dönüşmektedir.
MÖ 8000 (Bazı yörelerde neolitik çağın başlangıcı) MÖ 4500 ( Kent devletlerinin kurulduğu tarihler) YILLARI Alçı ve kirecin bilinçli olarak üretilebilme yöntemleri keşfedilmiştir. Neolitik çağdaki gelişmelere yol açan en büyük etkenlerden birisi de ateşin bilinçli olarak üretiminin keşfedilmesi olmuştur. Alçı; Bağlayıcı bir malzeme olan alçı, alçıtaşının (CaSO 4.2H 2 0'nun) pişirilmesi sonucunda elde edilmektedir. Pişirme işleminde uygulanan sıcaklık yaklaşık 190 C'ın üzerinde ise, alçıtaşının içerisindeki suyun tamamı kaybolmakta ve alçı, CaSO4 olarak elde edilmektedir. Uygulanan sıcaklık 190 o C'ın altında ise, alçıtaşının içerisindeki suyun 3/4'ü kaybolmakta ve alçı, CaSO 4.1/2H 2 O olarak elde edilmektedir. CaSO 4 veya CaSO 4.1/2H 2 O kompozisyonunda elde edilen ve toz haline getirilen alçı, suyla birleştirildiği takdirde, plastik (şekil verilebilinir) bir hamur haline gelmektedir. Zaman ilerledikçe, alçı ve su arasında gelişen reaksiyonlar sonucunda hamurun plastikliği azalmakta ve bu malzeme CaSO 4.2H 2 0 formuna sahip olarak sertleşmektedir. Katkı maddesi içermeyen saf alçı hamurunun katılaşma süresi yaklaşık 30 dakikadır. Bazı katkı maddelerinin ilavesiyle, bu süre kısaltılabilmekte veya uzatılabilmektedir. Alçı ve su karışımından oluşan hamurun hacmi sertleşme esnasında iki üç misli genleşme göstermektedir. O nedenle bu malzeme yerleştirildiği kalıptan çıkartıldığında, kalıbın iç yüzündeki en ince detayları bile gösterir durumda şekillenmiş olmaktadır. Bu özeliğinden dolayı, alçı, mimari süslemelerde kullanılabilmektedir.
Kireç; Bu bağlayıcı malzeme, kalker taşının (CaC0 3 ün) pişirilmesi sonucunda elde edilmektedir. Saf kalker taşının yapısında %56 oranında kireç (Ca0) ve %44 aranırıda su (H 2 0) bulunmaktadır. Ancak, kalker taşları doğada nadiren saf halde bulunmaktadır; genellikle çok düşük yüzdelerden başlayarak %25'e varan miktarlarda magnezyum karbonat(mgco 3 ) içermektedirler. Ayrıca, bu taşların içerisinde %1 -%6 kadar silika, demir oksit ve alkali gibi yabancı maddeler de yer almaktadır. Kalker taşına yaklaşık 900 C sıcaklık uygulandığında, taşın yapısındaki karbondioksit (CO 2 ) dışarı çıkmakta ve geriye gözenekli bir taş halindeki kireç (Ca0) kalmaktadır. Kalkerin içerisinde magnezyıun karbonat (MgCO 3 ) varsa, pişirilme sonucunda bu maddedeki karbon dioksit de yaklaşık 700 C sıcaklıkta dışarı çıkarak geride magnezyum oksit (Mg0)bırakmaktadır. Kalker taşının pişirilmesiyle Ca0 veya CaO.MgO formunda elde edilen kireç, "söndürülmemiş kireç" olarak adlandırılmaktadır. Söndürülmemiş kirecin bağlayıcı malzeme olarak kullanılabilmesi için suyla birleştirilerek hidrate edilmesi, söndürülmüş kireç (Ca(OH) 2 veya Ca(OH) 2.Mg(OH) 2 ) durumuna getirilmesi gerekmektedir. Söndürülmüş kireç olarak elde edilen Ca(OH) 2 veya Ca(OH) 2 Mg(OH) 2 'den oluşan malzeme suyla birleştirildiği takdirde şekil verilebilinir bir karışım halini almaktadır. Bu malzeme, zamanla havadaki karbondioksitle (CO 2 ile) reaksiyona girerek kalsiyum karbonat (CaC0 3 ) ve magnezyum karbonat (MgCO 3 ) haline dönüşüp sertleşmektedir. Söndürülmüş kireç ve su karışımının içerisine kum da ilave edilerek, "kireç harcı" elde edilmektedir. Kireç harcı, taş veya tuğlalarla yapılan duvarlarda bağlayıcı malzeme olarak görev yapmaktadır. Kireç harçlarının su altında sertleşebilme özeliği yoktur. Ayrıca, kireç kullanarak elde edilen ürünler suya karşı pek dayanıklı değillerdir; suyun etkisiyle zamanlı bir miktar erime göstermektedirler.
MÖ 4500 (Kent devletlerinin kurulmaya başladığı tarih) MÖ 300 YILLARI Mezopotamya nın, Mısır ın, Anadolu nun, Yunanistan ın ve İtalya nın yer aldığı coğrafyada yaklaşık bu tarihler arasında bir çok devlet kurulmuştur; bu süre içersinde, yapı malzemesi olarak taş ve ahşap kullanılmışsa da yaygın olarak yararlanılan malzemeler killi topraklardan üretilen kerpiç ve tuğla olmuştur. Bağlayıcı malzemeler olarak kireçten, alçıdan veya killi topraklardan üretilen harçlar kullanılmıştır. Mezopotamya daki taş veya kerpiç yapılarda bağlayıcı malzeme olarak doğal asfalt da kullanılmıştır.
PİRAMİTLER (CHEOPS, KHEFREN, YKRENOS) 4500 YAŞINDA MISIR ATASÖZÜ: İNSANLIK ZAMANDAN KORKAR ZAMAN DA PİRAMİTLERDEN
MÖ 300 (Puzolanın bağlayıcılık potansiyeli Romalılar tarafından yaklaşık olarak bu tarihte keşfedilmiştir) MS 1453 (Doğu Roma İmparatorluğunun son bulduğu tarih) YILLARI Romalılar, puzolan olarak adlandırdıkları malzemenin hidrolik bağlayıcılık potansiyelini keşfetmişlerdir; Puzolanik malzemelerle yaptıkları su altında da sertleşebilen harçları ve betonları bir çok önemli yapıda yaygın olarak kullanmışlardır. Puzolanlar; Silis veya silis-alumin kökenli malzemelerdir. SiO 2 Al 2 O 3 Kendi başlarına bağlayıcılık özellikleri ya çok azdır ya da hiç yoktur Çok ince iseler, ortamda sönmüş kireç ve nem varsa kimyasal reaksiyona girerek bağlayıcılık özelliği olan C-S-H oluştururlar. SiO 2 + Ca(OH) 2 CaO. SiO 2.H 2 O Puzolan + sönmüş kireç Kalsiyum Silikat Hidrate yapı PUZOLONİK REAKSİYON
Bu özellikteki toprak ilk defa Napoli yakınlarındaki Pozzuoli kasabasından elde edilmiştir. Vezüv yanardağı yakınlarındaki bu toprak camlaşmış volkan toprağı olup, günümüzde kullanılan Puzolan sözcüğü buradan kaynaklanmıştır.
Sonraki Zamanlar. Osmanlı Devleti dönemlerinde özellikle 1500 lü yıllarda Mimar Sinan tarafından, Horasan harcı olarak adlandırılan malzemeden yararlanılarak görkemli eserler yapılmıştır. Osmanlılar, hatta onlardan da önce Anadolu da hüküm süren Selçuklular, kırılmış, öğütülmüş tuğla, kiremit, çömlek gibi malzemeleri horasan olarak adlandırmışlardır. Tuğla, kiremit, çömlek gibi malzemelerin kilden yapıldığı ve pişirme işlemine tabi tutulduğu düşünülürse, horasan pişirilmiş kildir. Puzolanik malzemeler tanımlanırken, puzolanların büyük miktarlarda silika ve alümina içerdikleri, amorf yapıya sahip oldukları, kendi başlarına hemen hemen hiç bağlayıcılık göstermedikleri halde, ince taneli durumda iken sulu ortamda söndürülmüş kireçle reaksiyona girerek hidrolik bağlayıcılık gösterdikleri belirtilmiştir. Kil, büyük miktarda silika ve alümina içermesine karşın, kristal yapıya sahip olduğu için, doğadaki haliyle, puzolanik özelik göstermemektedir. Ancak, pişirildiği takdirde, kilin kristal yapısı büyük ölçüde ortadan kalkmakta ve amorf yapıya sahip olunmaktadır. Dolayısı ile, pişirilmiş durumdaki ince taneli kil, puzolanik özellik sergilemektedir. 1790-1800 yılları arası, İngiltere de doğal çimento üretilmeye ve kullanılmaya başlanmıştır. Doğal çimento, içerisinde %15-%35 kadar kil bulunan doğal kalker taşının 1300 C de civarında pişirilip öğütülmesi sonucunda elde edilmektedir. 1824-1850 yılları arası portland çimentosu üretimleri başlamıştır. 1850 yılından itibaren betonarme malzeme kullanımına başlanmıştır.