Silika Tozu ve Yüksek Oranda Uçucu Kül İçeren Kendiliğinden Yerleşen Beton H. Yazıcı, B. Felekoğlu, S. Aydın, K. Tosun, B. Baradan Giriş Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Tınaztepe Kamp. 35160 Buca/İZMİR, halit.yazici@deu.edu.tr Beton, dünyada en çok kullanılan yapı malzemelerinden biridir. Mevcut teknolojide beton kalitesi diğer birçok faktörün yanı sıra, yoğun emek ve enerji kullanımı gerektiren mekanik vibrasyon (sıkıştırma) işlemine de bağlıdır. Kimya alanındaki gelişmeler ve polimer teknolojisinin ilerlemesi, 80 li yılların ortalarından itibaren çok etkili akışkanlaştırıcıların keşfini de beraberinde getirmiştir. Yüksek oranda su kesme yeteneğine sahip, aynı zamanda taze betonun işlenebilirliğini de arttıran yeni nesil akışkanlaştırıcıların geliştirilmesi, kendiliğinden yerleşen beton kavramının ortaya çıkmasını sağlamıştır. Kendiliğinden Yerleşen Beton (KYB), kendi ağırlığı ile sık donatılı dar ve derin kesitlere yerleşebilen, iç veya dış vibrasyon gerektirmeksizin kendiliğinden sıkışabilen, bu özelliklerini sağlarken ayrışma ve terleme gibi problemler yaratmayarak kohezyonunu (stabilitesini) koruyabilen, çok akıcı kıvamlı özel bir beton türüdür. Taze beton süspansiyonun reolojik özellikleri ancak eşik kayma gerilmesi ve plastik viskozitenin bilinmesiyle ortaya konulabilir. Bu değerlerin her ikisi birden, tek parametre ölçen klasik işlenebilirlik deneyleriyle ölçülemez. Pek çok deney yöntemi geliştirilmesine rağmen hiçbir yöntem tüm reolojik parametreleri tek başına belirleyememekte, hepsinin eksik yönleri bulunmaktadır. Bu nedenle karışımın kendiliğinden yerleşebilirliği gerek laboratuvar ortamında gerekse pratikte; birkaç deneyin bir arada yapılmasıyla anlaşılabilir. Genellikle KYB nin işlenebilirliğini belirlemek için yayılma çapı ve V-hunisi akış süresi kullanılmaktadır. KYB karışımlarında normal betona kıyasla çok miktarda bağlayıcı maddeye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve taş tozu gibi malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Kömür ile çalışan termik santraller, genellikle diğer alanlarda kullanım imkanı bulunmayan düşük kalorili kömür yataklarının yakınına kurulmakta ve her biri önemli çevre sorunlarına
yol açmaktadır. Bu sorunlar, atmosfere bırakılan gazlardan kaynaklanan hava kirliliği ve atık sahalarında depolanan kömür yanma ürünlerinin yol açtığı toprak kirliliğidir. Kömür yanma ürünleri elektro filtrelerde tutularak depolanan uçucu kül ve nispeten kaba tanelerden oluşan taban külü olarak iki ana sınıfa ayrılır. Bu atık akılcı olarak değerlendirilmezse önemli teknik, ekonomik ve çevresel sorunlara yol açmaktadır. Oysa ki, uçucu kül bilinçli kullanıldığında, betonun birçok özelliğini olumlu yönde etkileyen ve puzolanik özelliği olan önemli bir beton katkısıdır. Bu çalışmada, hem bir atık malzemeden maksimum düzeyde yararlanmak, hem de tüm dünyada kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşan kendiliğinden yerleşen betonda C sınıfı uçucu külün etkinliğini araştırmak amaçlanmıştır. Değişik oranlarda C sınıfı uçucu kül içeren kendiliğinden yerleşen betonun taze ve sertleşmiş haldeki özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, çalışma kapsamında yüksek oranda uçucu kül içeren KYB de silika tozu kullanımının taze ve sertleşmiş beton özellikleri üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Çalışma Yöntemi Deneysel çalışmada, bağlayıcı olarak sadece çimento içeren kontrol karışımı ve değişik oranlarda uçucu kül ve silika tozu içeren 8 farklı karışım olmak üzere, toplam 9 farklı beton karışımı üretilmiştir. Her seriye ait beton bileşimleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Betonu oluşturan malzeme miktarları Uçucu Silis İri Uçucu Kimyasal Seri Çimento Su Kum S/B Kül Dumanı Agrega Kül (% Katkı S/Ç S/B No çim. ağ.) (Hacim) kg/m 3 (%B) K 600 165 0 0 780 880 0 1,33 0,28 0,28 0,87 HS30 360 165 180 60 734 835 30 3,67 0,46 0,28 0,74 HS40 300 165 240 60 723 825 40 3,50 0,55 0,28 0,71 HS50 240 165 300 60 712 813 50 3,33 0,69 0,28 0,69 HS60 180 165 360 60 701 804 60 3,00 0,92 0,28 0,67 H30 420 165 180 0 746 847 30 2,17 0,39 0,28 0,77 H40 360 165 240 0 735 837 40 3,33 0,46 0,28 0,74 H50 300 165 300 0 723 825 50 3,40 0,55 0,28 0,71 H60 240 165 360 0 712 815 60 3,67 0,69 0,28 0,69 Homojen bir kendiliğinden yerleşen beton karışımının hazırlanmasında klasik betondan farklı bir yöntem uygulanmıştır. Öncelikle agregalar karıştırılmış, ardından bağlayıcı maddeler
(çimento, uçucu kül, silika tozu) eklenmiştir. Kuru karışım elde edildikten sonra su, mikser çalışır durumdayken karışıma ilave edilmiştir. En son olarak akışkanlaştırıcı katkı karışıma eklenmiştir. Gözle yapılan muayenelerde karışımın kendiliğinden yerleşebilir kıvama geldiğine karar verilinceye kadar karıştırma işlemi sürdürülmüştür. Bu sürenin 3 dakikanın altında olmamasına dikkat edilmiştir. Öngörülen katkı dozajına rağmen kendiliğinden yerleşebilirlik açısından yetersiz olduğu görülen karışımlara ilave katkı eklenmiş ve dizayna yansıtılmıştır. Üretilen betonlar üzerinde taze halde; yayılma, 50cm ye yayılma süresi, V-hunisi deneyleri EFNARC (2002) tarafından önerilen standartlara göre yapılmıştır. Sertleşmiş halde ise 3, 7, 28, 56 ve 90. günlerde serbest basınç, 28. günde Brezilya silindir yarma deneyleri ve elastisite modülü için gerilme-deformasyon ölçümleri yapılmıştır. BULGULAR Üretilen betonların taze haldeki bazı özellikleri ve erken yaşlardaki (3 ve 7 gün) mekanik özellikleri belirlenmiş ve sonuçlar bu bölümde sunulmuştur. İlerleyen yaşlardaki mekanik özelliklere ait bulgular ve yorumlar ise bildiri tam metninde verilecektir. Tablo 2 de tüm karışımların taze haldeki özellikleri verilmiştir. Buna göre karışımların; Kendiliğinden yayılma çapları 71-82,5 cm aralığındadır. Karışımların tamamının stabilitesini koruduğu ve su kusmadığı gözlenmiştir (Şekil 1). Şekil 1. Kendiliğinden yerleşen betonda yayılma çapı ölçümü
50 cm çapa yayılma süreleri 3.5-7.5 saniye aralığındadır. Bu süre silika tozu kullanılmayan seride uçucu kül oranı arttıkça artmaktadır. V-hunisi değerleri incelendiğinde, silika tozu içeren seride kontrol karışımı ile benzer değerler elde edilmiştir. Sadece uçucu kül içeren seride ise, uçucu kül miktarı arttıkça V-hunisi süreleri de hızla artmaktadır. Seri No Uçucu Kül (%) Tablo 2. H ve HS serilerinin taze haldeki özellikleri Silika Tozu (%) Yayılma (cm) T50 (s) V-Hunisi (s) Hava Sıcaklığı ( C) K 0 0 71 3,5 20 30 HS30 30 10 82,5 3,5 12 30 HS40 40 10 76,5 4 18 29 HS50 50 10 77,5 3,5 19 26 HS60 60 10 78 4 16 30 H30 30 0 78,5 3,5 18 25 H40 40 0 75 4,5 23 27 H50 50 0 80 5 42 24 H60 60 0 78 7,5 35 28 Silika tozu içermeyen serinin 3 ve 7 günlük basınç dayanımlarının uçucu kül oranıyla değişimi Şekil 2 de grafik olarak gösterilmiştir. Uçucu kül oranının artmasıyla özellikle erken yaşlardaki dayanımlarda önemli düşüşler meydana gelmektedir. İlerleyen yaşlarda bu farkın azalması beklenebilir. Basınç Dayanımı (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 0 3 Gün 7 Gün 0 10 20 30 40 50 60 70 Uçucu Kül (%) Şekil 2. H serisinin uçucu kül oranı-zaman-basınç dayanımı ilişkisi
Şekil 3 de ise ağırlıkça %10 silika tozu içeren, bileşiminde değişik oranlarda uçucu kül kullanılmış olan HS serisinin basınç dayanımı değerleri gösterilmiştir. Basınç Dayanımı (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 0 3 Gün 7 Gün 0 10 20 30 40 50 60 70 Uçucu Kül (%) Şekil 3. HS serisinin uçucu kül içeriğine göre basınç dayanımının zamanla değişimi Şekil 2 ve Şekil 3 ten H ve HS serilerinin basınç dayanımları kıyaslandığında, özellikle yüksek oranda uçucu kül içeren karışımlarda silika tozunun erken dayanımları arttırma etkisi belirgindir. Kaynaklar Baradan, B: "Fly Ash-Cement Based Structural Materials". The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol.9, No.4 pp. 225-228. (1987) Bouzboubaa N., Zhang M.H., Malhotra V.M. (2000). Laboratory-produced high-volume fly ash blended cements: physical properties and compressive strength of mortars. Cement and Concrete Research Vol. 28, pp. 1555-1569. Bouzoubaa N., Lachemi M., Self-compacting concrete incorporating high volumes of class F fly ash Preliminary results, Cem. Concr. Res. 31 (2001) 413-420. EFNARC, Specifications and Guidelines for Self-Compacting Concrete, February 2002, 32p. Ferraris C.F., de-larrard F., Testing and Modelling Fresh Concrete Rheology, Building and Fire Research Laboratories, Maryland, NISTIR 6094, 1998, 71p. Lee S.H., Sakai E., Daimon M., Bang W.K., Characterization of fly ash directly collected from electrostatic precipitator, Cem. Concr. Res. 29 (1999) 1791-1797. Okamura H., Ouchi M., Self-compacting concrete. Development, present use and future, Proceedings of the First International RILEM Symposium, Edited by A.Skarendahl and Ö. Petersson, 1999, 3-14. Özkul M.H., Beton Teknolojisinde bir Devrim: Kendiliğinden Yerleşen-Sıkışan Beton, Hazır Beton Dergisi, Temmuz-Ağustos 2002, 64-71.