UÇUCU KÜLLÜ BETONLARIN DONMA-ÇÖZÜLME ETKİSİNDE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Osman ÜNAL 1, Tayfun UYGUNOĞLU 2 1,2 Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü,Ahmet Necdet Sezer Kampüsü Gazlıgöl Yolu 03200 Afyon, 1 unal@aku.edu.tr, 2 uygunoglu@aku.edu.tr 1. GİRİŞ Dünyada betonun dayanıklılığını arttırmak, önemli bir bilimsel ve teknik bir problem olarak süregelmiştir[1]. Mineral karışımlardan olan uçucu kül betonun dayanıklılık karakteristikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Betonun dayanıklılığına etki eden en önemli sebep donma ve çözülmedir[2]. Beton boşluklu bir yapıya sahip olup gözeneklerinde bulunan suyun, sıcaklık derecesinin sıfırın altına düşmesi sonunda donması, mukavemetinin azalmasına ve hatta parçalanmasına yol açabilir. Bu etkiler suyun donması sonucunda hacminin artmasından ileri gelmektedir[3]. Su donduğunda hacminde %9 ornında bir artış meydana gelir[4]. Betonun dayanıklılığını arttırmak amacıyla bu çalışmada betona belirli oranlarda uçucu kül ilave edilmesiyle, donma-çözünme etkisi altında uçucu külün beton üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Uçucu kül, beton içerisine ağırlık olarak çimentonun %10, %20, %30 ve %40 oranlarında yerdeğiştirilerek ilave edilmiştir. Betonlar 0,65 su/çimento oranında ve 300 kg/m 3 çimento dozajında üretilmişlerdir. 7 ve 28 gün sonra donma-çözülme periyoduna maruz bırakılan beton numuneler üzerinde birim hacim ağırlık ve basınç dayanımı deneyleri yapılmış ve ultrases hızına bağlı olarak elastise modülleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre uçucu kül miktarının %10-20 oranında ağırlıkça çimentonun yerine kullanılması betonu mekanik özelliklerine olumsuz bir etkisinin olmadığı söylenebilir. 2. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Beton karışımında GEN-HAN hazır beton santralinde beton üretiminde kullanılan 0-4mm tane dağılımına sahip mermer kırma kum kullanılmıştır. Uçucu küllü beton numunelerin üretiminde iki çeşit kırma taş agregası kullanılmıştır. Karışımda A32 serisinde 4/16 tane grubunda kırmataş I ve 16/31.5 tane grubunda kırmataş II malzemeleri kullanılmıştır. Beton
bileşimine giren agregaların elek analizleri, granülometrileri ve özgül ağırlıkları Tablo 2.1.de verilmiştir. Tablo 2.1 Agregaların Granülometri Değerleri ve Fiziksel Özellikleri Elek Çapı 31.5 16 8 4 2 1 0.25 Karışım % oranı Birim Ağırlık (kg/m 3 ) Özgül Ağırlık (kg/dm 3 ) Kırma Kum 100 100 100 95 60 32 15 40 1588 2.69 Kırmataş1 100 97 27 8 0 0 0 35 1430 2.70 Kırmataş2 100 16 3 0 0 0 0 25 1429 2.72 Karışım 100 78 50 41 24 13 6 Beton karışımlarında Soma termik santraline ait uçucu kül kullanılmış olup, kimyasal analiz sonuçları Tablo 2.2 de verilmiştir[5]. Tablo 2.2 Uçucu kül Kimyasal Analiz Sonuçları Bileşik Adı % Bileşik Adı % SiO 2 46,51 MgO 0,67 Al 2 O 3 25,47 Na 2 O 0,36 Fe 2 O 3 4,88 K 2 O 1,7 CaO 15,94 SO 3 2,78 Kızdırma.kaybı 1,35 Yine yapılan karışımlarında Afyon SET çimento fabrikasının üretimi olan PKÇ.32.5 tipi kompoze portland çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun kimyasal özellikleri Tablo 2.3 de verilmiştir. Tablo 2.3. PKÇ 32.5 Çimentosunun Kimyasal Özellikleri Bileşik Adı % SiO 2 20-25 Al 2 O 3 5-10 Fe 2 O 3 2-4 CaO 63-67 MgO 0.5-2.7 Na 2 O -- SO 3 1-2.5 Diğer maddeler 0.5-2
2.1. Beton Karışımı ve Üretimi: Uçucu kül katkılı beton bileşimlerinde çimento dozajı 300 ve maksimum agrega çapı 31,5mm olmak üzere 5 seri karışım amaçlanmıştır. Bu serilerde aynı çökmeyi sağlayan optimum su/çimento oranı 0,65 sabit alınarak, karışımlara katılan uçucu kül miktarları çimento ağırlığının %10-%20-%30 ve %40 oranlarında çimento miktarı ile yer değiştirilmiştir. Karışımın granülometri eğrisi A32-B32 referans eğrileri arasında kalacak şekilde agrega oranları 0,40 kırma kum, 0,35 kırmataş-i ve 0,25 kırmataş-ii olarak belirlenmiştir. Üretilen numunelerde UKB0 ile şahit numuneyi, UKB10, UKB20, UKB30 ve UKB40 ile de uçucu küllü beton numuneleri gösterilmiştir. Üretilecek beton serilerinde kullanılması gereken miktarlar 18 dm 3 harman için ayarlanarak ağırlık olarak karışıma katılmıştır. Hazırlanan karışımlarda 15*15*15cm boyutlarında 3 er ve 10*10*10 cm boyutlarında 5 er tane olmak üzere toplam 5 seri üretimde 40 küp numunesi üretilmiştir. Hazırlanan beton karışımlar daldırma vibratörü ile kalıba yerleştirildi ve sıcaklığı 20±2 C ve %65 nemli laboratuar ortamında 24 saat bekletildikten sonra normal sıcaklıkta kirece doygun su içerisinde bekletildiler. Üretilen numuneler üzerinde 7 ve 28 günlük deneyler yapılmıştır. Su emme deneyinden çıkarılan aynı numuneler üzerinde ultrases geçiş süreleri okumaları yapıldıktan sonra, donma-çözülme etkisinde bırakıldı. 7 ve 28 günlük numuneler üzerinde yapılmış olan donma-çözülme deneyi TS 3449 a göre bütün numunelere 20 periyot olacak şekilde uygulanmıştır. 3. BULGULAR Tablo 3.1 deki 28 günlük uçucu kül katkılı 15 ve 10cm kenarlı küp beton numunelerinde basınç dayanımları ile uçucu kül miktarı arasındaki ilişki incelendiğinde, genel olarak beton içerisine katılan uçucu kül miktarı %10 ila %20 arasında kısmen dayanımı arttırmasına rağmen %20 den sonra artıkça dayanımda şahit betonun dayanımına göre azalma eğilimi görülmüştür.
Tablo 3.1. 28 Günlük UKB Numunelerinin Mekanik Özellikleri 15x15x15 cm 10x10x10 cm Beton Ultrases Basınç Schmit Ultrases Basınç Schmit Türü Hızı(km/sn) Day.(MPa) Hızı(km/sn) Day.(MPa) Şahit 4,59 21,62 21,54 4,74 23,51 21 UKB 10 4,62 19,91 22,25 4,55 19,25 18 UKB 20 4,53 22,20 20,75 4,48 19,64 18,38 UKB 30 4,57 20,55 21,46 4,67 17,81 17,75 UKB 40 4,50 18,88 22,25 4,55 21,61 19,5 Dolayısıyla bağlayıcı olarak uçucu külün kimyasal bileşimi çimentonunkine benzemesine rağmen belirli bir orandan sonra agregalarla aderansının iyi olmadığı söylenebilir. 420000 Elastise Modülü (kgf/cm2) 400000 380000 360000 340000 320000 300000 Donma Deneyi Öncesi Donma Deneyi Sonrası Şahit UKB 10 UKB 20 UKB 30 UKB 40 Beton Türü Şekil 1. 7 Günlük Numunelerde Elastise Modülleri Diğer taraftan donma-çözülme etkisinde kalan numunelerin mekanik özelliklerinin belirleyen etkenlerden elastisite modülündeki değişim (ultrases hızına bağlı olarak) incelendiğinde (Şekil 1-2); basınç dayanımlarındaki azalmanın tersine uçucu kül miktarı artarken betonun elastisite modüllerinde önemli mertebede değişim olmamıştır. Şahit betonlarda donmaçözülme etkisinde çok az azalma eğilimi görülürken uçucu küllü betonlarda az oranda artış elde edilmiştir.
Elastise Modülü (kgf/cm2) 460000 440000 420000 400000 380000 360000 340000 Donma Deneyi Öncesi Donma Deneyi Sonrası Şahit UKB 10 UKB 20 UKB 30 UKB 40 Beton Türü Şekil 2. 28 Günlük Numunelerde Elastise Modülleri Su emme deneyi sonuçlarından 7 günlük numunelerin görünen porozite değerleri 28 günlük numunelere göre daha az çıkmıştır. 7 ve 28 günlük deney numunelerine ait su emme deney sonuçları Tablo 3.2 de verilmiştir. Tablo 3.2. UKB Numunelerinin Su Emme Deney Sonuçları Beton 7 GÜNLÜK Türü Görünen Birim D' R2 Denklem Porozite(%) Ağr.(kg/dm3) Şahit 14 2,10 17,72 0,98 y = 4,75x + 0,25 UKB 10 15 2,11 19,63 0,91 y = 5x UKB 20 15 2,13 38,48 0,99 y = 7x + 0,5 UKB 30 15 2,12 47,17 0,99 y = 7,75x - 6,75 UKB 40 16 2,12 63,62 0,99 y = 9x - 3,5 Beton Türü Görünen Birim 28 GÜNLÜK D' R2 Denklem Porozite(%) Ağr.(kg/dm3) Şahit 12 2,12 9,62 0,92 y = 3,5x + 1 UKB 10 13 2,13 4,91 1 y = 2,5x + 5 UKB 20 11 2,16 3,14 0,89 y = 2x + 5 UKB 30 12 2,21 5,94 0,86 y = 2,75x + 4,25 UKB 40 11 2,18 7,07 0,97 y = 3x + 6,5
D' 70 60 50 40 30 20 10 0 7 GÜNLÜK 28 GÜNLÜK Şahit UKB 10 UKB 20 UKB 30 UKB 40 Beton Türü Şekil 3. Kılcallık Katsayıları Arasındaki İlişki Şekil 3 te görüldüğü gibi aynı karışımlara ait numunelerin kılcallık deneylerinde uçucu kül miktarı arttıkça iç yapıdaki boşlukların emdiği su miktarlarında artış görülmektedir. Bu artış hızı 7 günlük uçucu kül katkılı beton numunelerinde daha belirgin görülürken 28 günlük numunelerde artış hızında şahit numuneye göre çok az değişmektedir. Sonuç olarak erken yaşlarda uçucu kül artışı boşluklu bir yapının oluşmasına sebep olmaktadır. 5. KAYNAKLAR 1. Sun, W. etc, Damage and Damage Resistance Of High Strength Concrete Under The Action Of Load And Freeze-Thaw Cycles, Cement and Concrete Research,Vol.29, 1999. 2. Dolch, W.L., Diamond, S., Durability of concrete, Part 39 of Civil Engineering Handbook, Editor-in-chief, W.F. Chen. Boca Raton: CRC, 1995. 3. Postacıoğlu, B., Beton, Cilt 2, Matbaa Teknisyenleri Basımevi İstanbul, 1987., s.333-337. 4. Neville,A.M., Brooks, J.J., Concrete Technology Longman Scientific and Technical, 1987, p.285. 5. Ramyar, K., Uçucu Küllerin Çimento Harcının Büzülmesine ve Betonun Karbonatlaşmasına Sebep Olan Etkileri, End. Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması, 1993, ANKARA