Karma Lifli Kendiliğinden Yerleşen Betonların Mekanik Davranışına Agrega Oranlarının Etkisi C. Şengül, M. A. Taşdemir İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, 34469 İstanbul Tel: (212) 285 38 55 E-Posta: cengizsengul@yahoo.com Naci Yılmaz, Giray Arslan İSTON, İstanbul Beton Elemanları ve Hazır Beton Fabrikaları Sanayi ve Ticaret A.Ş. Tel: (212) 537 82 E-Posta: iston@iston.com.tr Öz İri agreganın ince agregaya oranı,66,,83 ve 1, olacak şekilde karma çelik tel içeren üç farklı kendiliğinden yerleşen betonun üretimi, taze ve sertleşmiş haldeki özelikleri ile bu betonların mekanik davranışları incelendi. Kendiliğinden yerleşen taze betonlarda V-hunisi, çökme-yayılma ve kısıtlanmış yayılma deneyleri, sertleşmiş betonda ise basınç, yarma ve elastisite modülü deneyleri yapıldı. Çentikli prizmatik eğilme numunelerinde kapalı çevrimli deplasman kontrollü deneylerle yük-sehim eğrileri elde edildi ve sehimin 1 mm lik değerine kadar kırılma enerjileri görüldü. Taze beton özellikleri açısından en uygun iri agrega/ince agrega oranının,83 olduğu bulundu. Basınç ve yarma dayanımlarında önemli bir değişiklik olmamakla birlikte, iri agrega/ince agrega oranı 1, olan ksrışımlarda elastisite modülü daha yüksek çıktı. İri agreganın ince agregaya oranı arttıkça kırılma enerjisinde belirgin artış oldu. Anahtar sözcükler: Kendiliğinden yerleşen beton, Karma lifli beton, Çelik tel, Basınç dayanımı, Kırılma enerjisi, Yarma-çekme dayanımı. Giriş Kendiliğinden yerleşen beton (KYB) uygulamalarında ekonomi, çevre ve mühendislikmimarlık bakımından büyük yararlar olmasına karşın, özellikle ayrışma, çökme kaybı ve genel olarak taze halde tekrarlanabilirlik konularında prefabrike endüstrisine kıyasla hazır beton endüstrisindeki gelişmeler yavaş seyretmektedir. KYB lerle ilgili olarak karşılaşılan sorular şöyle özetlenebilir: a) KYB de değişkenliğe neden olan koşullar nedir? Nasıl kontrol altında tutulabilir? b) KYB nin reolojisine bağlı kalıp basıncı nasıl değişir ve nasıl hesaplanır? c) KYB nin yerinde dökümünü geliştirmek için ne tür deneyler gereklidir? Öte yandan, çelik tel donatılı betonlarda lif yönlenmesinin, numune geometrisinin ve döküm şeklinin de göz önünde bulundurulması gerekir (Shah ve diğ., 27). 373
Uygulamada KYB ler için özenli yerleştirme koşullarına gerek vardır. Bunun için, kalıp hazırlanması, işlenebilirliğin iyi bir biçimde denetlenebilmesi ve sürekli döküm gerekmektedir. Uygulamada karşılaşılan engeller ise, a) iyi kalitede olan malzemelere gereksinim, b) özel kalıp gereksinimi, c) üretim araçlarının hassasiyetindeki yetersizlikler, d) kalite denetimindeki aksamalar ve standartların yetersizliğidir (Cussigh, 27). KYB lerde taze betonun karalılığı, tasarım da dahil olmak üzere kayma enerjisi, kayma hızı ve uygulama gibi birçok etkene bağlıdır. Özellikle, iri agreganın toplam katı hacmine oranı arttıkça ayrışma yüzdesi artmaktadır. Çökme-yayılma çapı ise iri agreganın ince agregaya oranı arttıkça azalmaktadır (Bonen ve diğ.,27). KYB nin karışım tasarımı için gerekli olan işlenebilirlik parametreleri doldurma yeteneği, geçiş yeteneği ve ayrışmaya karşı direnç olarak özetlenebilir. Birçok araştırma yüksek mukavemet ve yeterli dürabilitenin KYB ile sağlanabileceğini göstermiştir. KYB nin kılcal su emme ve oksijen geçirimliliği gibi taşınım özelikleri düşüktür. Ayrıca, KYB klor geçirimliliği ve donma-çözülmeye karşı yüksek dirence sahiptir. KYB, çimentonun ve filler malzemenin uygun dağılımıyla normal betona kıyasla porozitesi daha düşük, diğer bir deyişle daha yoğun bir agrega-çimento hamuru ara yüzeyine sahiptir (Siddique ve diğ.,27). KYB karışımları, doldurma ve geçiş yetenekleriyle birlikte ayrışmaya karşı direnç, sertleşmiş özelikler, ekonomi ve kararlılık göz önünde bulundurularak optimizasyon yapılmalıdır. KYB de ince agreganın granülometrisi, yüksek çimento ve pudra hacmi gibi karışım oranlarındaki farklılıklar da mekanik özellikler üzerinde önemli rol oynar (Koehler ve Fowler,27). 25 yılından beri İTÜ de yapılan çalışmalarda (Şengül, 25; Yılmaz ve diğ., 27) hacmen su/pudra oranı,52 de sabit, su/çimento oranı ağırlıkça,24 den,38 e yükselirken (çimento/pudra oranı,73 den,48 e azalırken) çimento dozajı da 95 kg/m 3 den 31 kg/m 3 e düşerken basınç dayanımı ve elastisite modülünün sabit kaldığı görülmüştür. Çelik tel eklenmesiyle kırılma enerjisinde 7 kata varan artışlar kaydedilmiştir. Ayrıca, çelik tel dayanımı arttıkça kırılma enerjisi daha da artmaıştır. Bu çalışmada, iri agrega/ince agrega oranının karma lifli kendiliğinden yerleşen betonların taze haldeki özeliklerine ve mekanik davranışına etkisi araştırılmaktadır. Deneysel Çalışma İri agreganın ince agregaya oranının kendiliğinden yerleşen çelik tel donatılı betonların taze ve sertleşmiş haldeki özeliklerine etkisinin incelendiği bu araştırmada, kullanılan iki farklı çelik lif hacimce %,75 oranında sabit tutulmuştur. Ayrıca, çentikli kiriş numunelerde eğilme halinde kapalı çevrimli deplasman kontrollü deneyler ile mekanik davranış da incelenmiştir. Bu deneysel çalışmada iri agreganın ince agregaya oranı (C/F),66 ;,83 ve 1, olacak şekilde 3 farklı karma çelik tel donatılı kendiliğinden yerleşen betonlar üretilmiştir. Çekme dayanımı 22MPa, uzunluğu 3mm ve narinliği 55 olan çelik lifler %,25 oranında kullanılırken, çekme dayanımı 22MPa, uzunluğu 6mm, narinliği 4 olan çelik liflerden %,5 oranında kullanılmıştır. Üretilen betonlar 5 gün 2 ± 2ºC derecede kirece doygun suda bekletilmiş daha sonra 3 gün boyunca 9 ºC buhar 374
kürüne tabi tutulmuştur. Bu betonlarda su/çimento oranı, kimyasal katkı, silis dumanı, çimento, toplam agrega hacmi, maksimum agrega boyutu ve ince agregaların kendi içindeki hacimsel oranları sabit tutuldu. C/F oranı,66 ;,83 ve 1, olan beton karışımlarının granülometrileri A16, B16 ve C16 referans eğrileriyle birlikte Şekil1 de görülmektedir. Üretilen betonlar kalıplara yerleştirilmeden önce, silindir şeklinde hacmi bilinen bir kap içerisine yerleştirilerek taze beton birim ağırlığı bulundu. Üretilen KYB lerin gerçek bileşimleri Tablo 1 de verilmektedir. 1 Elekten geçen % Elekten geçen % 8 6 4 2 A16 B16 C16,83,66 1,,25,5 1 2 4 8 16 Elek göz boyutu, mm mm Şekil 1. KYB karışımlarına ait granülometriler ve A16, B16 ve C16 eğrileri Tablo 1. 1m 3 Betonun Bileşimi C/F Oranı.66.83 1. Çimento (kg) 69 682 695 Su (kg) 157 155 158 Silis Dumanı (kg) 13 12 14 Kırmataş No1(kg) 555 625 7 Doğal kum (kg) 453 47 381 Kalker kırma kumu (kg) 385 347 324 Katkı (kg) 27 27 27 Düz çelik tel (l/d=55, l=6 mm) 38 38 39 Kancalı uçlu çelik tel (l/d=55, l=3mm) 19 19 19 Hava (%) 3,4 4,4 2,7 Kompasite (%) 78 78 79 Birim ağırlık (kg/m 3 ) 2427 242 2447 Deney Sonuçları ve Değerlendirme Üretilen karma lifli kendiliğinden yerleşen taze betonlar üzerinde çökme-yayılma, kısıtlanmış yayılma ve V-hunisi deneyleri ile taze beton özelikleri, sertleşmiş halde ise basınç, yarma-çekme deneyleri ile kapalı çevrimli deplasman kontrollü deneyler 375
yardımıyla mekanik davranış incelenmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar ve yapılan irdelemeler aşağıda verilmektedir. Taze Beton Deneyleri Tablo 2. Kendiliğinden yerleşen betonun taze haldeki özelikleri Deney Değerlendirilen özelik Ölçülen İri agrega/ince agrega (C/F),66,83 1, T 5 (s) 13 1 18 Toplam yayılma Çökme-Yayılma Akışkanlık/Ayrışma süresi 67 72 15 Toplam yayılma çapı 71 76 69 T 5 (s) 23 13 19 Akışkanlık Ayrışma- Kısıtlanmış Toplam yayılma Donatılar arası geçiş 17 83 117 yayılma süresi yeteneği Toplam yayılma 67 72 69 çapı Akışkanlık- V- Hunisi pompalanabilirlik Akış süresi 3 37 41 Çökme-Yayılma Deneyi Çökme-yayılma deneyinde 5cm çapındaki bir alana yayılma süresi ile toplam yayılma süresi ve yayılma çapı belirlenmiş olup toplam yayılma süresinin C/F ile değişimi Şekil 2 ve tüm sonuçlar Tablo 2 de verilmektedir. Toplam Yayılma Süresi (sn) Toplam yayılma süresi (sn) 12 8 4,6,7,8,9 1 C/F oranı G/S oranı Şekil 2. Toplam yayılma sürelerinin C/F oranı ile değişimi Çökme-yayılma deneyi sonuçları incelendiğinde, C/F oranı,83 olan kendiliğinden yerleşen çelik lifli betonların, 1sn olan T 5 (5 cm lik yayılma) süresi ve 76cm olan toplam yayılma çapı ile en iyi sonuçları verdiği görülmektedir. İnce agrega konsantrasyonunun artması ile artan su ihtiyacından dolayı, C/F oranı,66 ya düşerken 376
5cm çapında olan alana yayılma süreleri artmakta, toplam yayılma çapı ise azalmaktadır. C/F oranı 1, e ulaştığında ise artan iri agrega konsantrasyonu akış sırasında agregalar arasındaki kenetlenmeyi artırmakta ve yayılma özeliklerini olumsuz yönde etkilemektedir. Kısıtlanmış Yayılma Deneyi Kısıtlanmış yayılma deneyi (Özkul ve diğ., 2) yapılarak kendiliğinden yerleşen betonların kendi ağırlıkları altında donatılar arasından geçiş yetenekleri incelenmiş, 5 cm çapındaki bir alana yayılma süresi ile toplam yayılma süresi ve yayılma çapı belirlenmiştir. Kısıtlanmış toplam yayılma çapı-c/f ilişkisi Şekil 3 de ve tüm sonuçlar Tablo 2 de verilmektedir. Kısıtlanmış toplam yayılma Kısıtlanmış Toplam Yayılma (cm) 8 65 5,6,7,8,9 1 C/F oranı G/S oranı Şekil 3. Kısıtlanmış toplam yayılma çapının C/F oranı ile değişimi Kısıtlanmış yayılma deneyi ile elde edilen sonuçların çökme-yayılma deneyi ile elde edilen sonuçlarla paralellik oluşturduğu görülmektedir. 13 sn olan T 5 süresi ve 72cm olan toplam yayılma çapı ile C/F oranı,83 olan karışımların, en iyi taze beton özelliklerine sahip karma çelik tel donatılı kendiliğinden yerleşen betonlar olduğu görülmektedir. Çökme-yayılma deneyi ile elde edilen T 5 süreleri ile kısıtlanmış yayılma deney sonucu bulunan T 5 süreleri karşılaştırıldığında iri agrega konsantrasyonunun artması ile aradaki farkın azaldığı görülmektedir. V-Hunisi Deneyi V-hunisi deneyi taze betonun, kendi ağırlığı altında dar bir kesitten geçebilme yeteneğini temsil eden bir sonucu vermektedir. Bu bakımdan, kısıtlanmış yayılma, özellikle lifli betonlarda çökme-yayılma deneylerine göre farklılıklar gösterir. Taze betonun C/F oranına göre bu değişken kesitten geçme süresi ölçülmüştür. Elde edilen V- hunisi deney sonuçları Şekil 4 de verilmektedir. 377
5 Akış süresi (sn) Akış Süresi (sn) 4 3 2,6,7,8,9 1 G/S oranı Şekil 4. V-hunisi akış sürelerinin C/F oranı ile değişimi İri agrega içeriğinin artması ile dar bir kesitten geçiş yeteneğinin azaldığı izlenmektedir. C/F oranı,66 olan kendiliğinden yerleşen betonlarda akış süresi 3sn değerindeyken, C/F =1, olan karışımda bu değerin artarak 41sn ye ulaştığı görülmektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, Shresta ve Biswakarma (27) tarafından elde edilen sonuçlarla uyum halindedir. Araştırmacılar, su/çimento oranı,54 olan karışımlarda iri agreganın ince agregaya oranını,67 den 1, e kadar değiştirerek KYB nin taze haldeki özeliklerini incelemişler ve elde ettikleri sonuçlara göre,72 de optimum çözümün bulunabileceğini göstermişlerdir. Sertleşmiş Beton Deneyleri Silindir Basınç Deneyi Basınç deneyleri, çapı 1mm ve yüksekliği 2mm olan silindir numuneler üzerinde gerçekleştirildi. Gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinde, maksimum yükün %33 üne kadar olan grafiğin eğiminden yararlanılarak Elastisite Modülü hesaplandı. Basınç dayanımları ve elastisite modülü değerleri Tablo 2 de verilmektedir. Ancak Tablo 2 nin incelenmesinden görüldüğü üzere C/F deki değişme ile basınç dayanımında önemli bir değişikliğin olmamasına karşın, taze halde optimum sonuç veren C/F nin,83 oranına karşı gelen dayanım göreceli olarak daha yüksektir. Yarma-Çekme Deneyi C/F oranı Yarma-çekme deneyleri, çapı 15mm ve yüksekliği 3 mm olan silindir numunelerden kesilen 6mm yüksekliğindeki disk numuneler üzerinde yapıldı. Deneylerde elde edilen yarma-çekme dayanımı değerleri Tablo 3 de verilmektedir. Bu araştırmanın sınırları içinde iri agrega/ince agrega oranındaki değişimden yarma-çekme dayanımlarının etkilenmediği yapılan deney sonuçlarından görülmektedir. Yük Sehim Eğrileri vekırılma Enerjileri Deformasyon kontrollü yapılan deneyler sonucunda yük-sehim eğrileri elde edilerek, eğilme dayanımında ve kırılma enerjisinde oluşan değişim incelendi. Kiriş numunelerin ortasından tekil yük uygulanarak yapılan deneylerde, numunenin etkin kesit alanı 378
1mm x 5mm olarak hazırlandı. Uygulanan üç noktalı eğilme deney düzeneği Şekil 5 in içinde gösterilmektedir. Deneyden önce numunelerin yan yüzeyine yapıştırılan levhaya sehim ölçmek amacı ile bir adet LVDT yerleştirildi. Bu deney düzeneği ile uygulanan yükler ve bu yüklere karşı gelen sehim değerleri alıcılardan bilgisayara aktarılarak yük-sehim grafikleri elde edildi. Yük-sehim eğrilerine ait tipik örnekler Şekil 5-7 arasında verilmektedir. P 6 5mm Yük (N) Yük (N) 4 2 5mm 2mm LVDT 2mm 5mm 1mm 2 4 6 8 1 (mm) Sehim Sehim (mm) (mm) Sehim (mm) Şekil 5. C/F oranı,83 olan numunelerin tipik yük-sehim eğrileri 6 Yük (N) Yük (N) 4 2 2 4 6 8 1 Sehim (mm) Sehim (mm) Şekil 6. C/F oranı 1, olan numunelerin tipik yük-sehim eğrileri Yük (N) Yük, N 6 4 2 C/F oranı 1,,83,66 2 4 6 8 1 Sehim (mm) Sehim, mm Şekil 7. Tipik yük-sehim eğrilerinin C/F oranı ile değişimi 379
Eğrilerin altında kalan alanlar hesaplanarak kırılma sürecinde harcanan enerji aşağıdaki bağıntı kullanılarak hesaplandı. G F = (Wo + mgδ o ) / A lig (1) Burada, Wo: Yük-sehim eğrisi altında kalan alanı (Nm), m: Kirişin mesnetler arasında kalan ağırlığı (kg), g: Yer çekimi ivmesini, δ o : Kirişin göçme sırasındaki son sehim değerini (m), A lig : Etkin kesit alanını (m 2 ) temsil etmektedir. Numunelerin eğilme dayanımları (2) bağıntısı kullanılarak hesaplandı. f net = ( 3PL) / 2BD 2 (2) Burada, f net, Net eğilme dayanımını, P, Kırılma yükünü (N), L, Mesnetler arası uzaklığı (mm), B, Numune kesitinin genişliğini (mm), D, Numune kesitinin yüksekliğini (mm) temsil etmektedir. Tablo 3. Sertleşmiş betonun mekanik özellikleri C/F Oranı Basınç dayanımı (MPa) Elastisite modülü (GPa) Yarma-çekme dayanımı (MPa) Net eğilme dayanımı (MPa) Özgül kırılma Enerjisi (N/m),66 113 45,2 11, 8,2 2622,83 117 45,2 1,4 1,3 352 1, 19 49,3 1,7 9,8 5471 Kırılma enerjisi, J/m 2 Kırılma Enerjisi 6 4 2,66,83 1 C/F C/F oranı Şekil 8. Kırılma enerjisinin C/F oranı ile değişimi Tablo 3 ve Şekil 8 de görüldüğü gibi iri agreganın ince agregaya oranı arttıkça net eğilme dayanımı önemli bir değişiklik sergilemezken kırılma enerjisi belirgin biçimde artmaktadır. İnce agreganın fazla olması durumunda kırılmanın daha gevrek olduğu bilinmektedir (Taşdemir ve Karihaloo, 21; Taşdemir ve diğ., 24); bu durum, Şekil 8 de görülmektedir. Sonuç olarak iri agrega oranı arttıkça oluşan toklaşma mekanizmaları nedeniyle beton kırılma sırasında daha fazla enerji yutmaktadır. 38
Sonuçlar Karma lif donatılı kendiliğinden yerleşen betonlar üzerinde yapılan deneyler sonucunda bu araştırmanın sınırları içinde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir : 1 ) Karma lifli kendiliğinden yerleşen betonlarda 5 cm lik çapa yayılma bakımından en az sürenin ve toplam yayılmada da en büyük değerin iri agrega/ince agrega oranının,83 değerinde, diğer bir deyişle sürekli granülometri durumundaki karışımda gerçekleştiği görülmektedir. Kısıtlanmış yayılma bakımından da optimum sonucun,83 de yine sürekli granülometri durumunda gerçekleştiği söylenebilir. V- hunisi deneyine göre iri agrega oranı arttıkça akışkanlığın veya pompalanabilirliğin göreceli olarak güçleştiği anlaşılmaktadır. 2 ) Basınç, yarma-çekme ve net eğilme dayanımları artan iri agrega/ince agrega (C/F) oranı ile değişmezken, elastisite modülü C/F nin 1, oranında en yüksek değere ulaşmaktadır. 3 ) İri agreganın ince agregaya oranı arttıkça kırılma enerjisi belirgin biçimde artmakta ve malzeme daha tok bir davranış sergilemektedir. Teşekkür Bu çalışma, TÜBİTAK Kamu Kurumları Araştırma ve Geliştirme Projeleri Destekleme Programı (17) kapsamındaki 15G97 nolu projede elde edilen bazı sonuçlara dayanmaktadır. Kaynaklar Bonen, D., Deshpande, Y., Otek, J., Shen, L., Struble, L., Lange, D. and Khayat, K., Robustness of Self-Consolidating Concrete, In 5th International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 33-42. Cussigh, F., SCC In Practice: Opportunities and Bottlenecks, In 5th International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 21-27. Koehler, E. P. and Fowler, D. W., Proportioning SCC Based on Aggregate Characteristics, In 5th International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 67-72. Özkul, M.H., Doğan Ü.A., Çavdar, Z., Sağlam, A.R. and Parlak, N., Effects of Self Compacting Concrete-Admixtures on Fresh and Hardened Concrete Properties, 2nd International Symposium on Cement and Concrete Technology in the 2s, Vol.1., September 2, İstanbul, pp. 493-52. Shah, S. P., Ferron, R. P., Ferara, L., Treggen, N. and Kwon, S. H., Research on SCC: Some Emerging Themes, In 5th International RILEM Symposium on Self Compacting 381
Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 3-14. Siddique, R., Aggarwal, P., Aggarwal, Y. and Gupta, M., Development, Investigation and Applications of Self-Compacting Concrete A Rewiew, In 5th International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 55-6. Shiresta, K. M., Biswakarma, J. S., Self Compacting Concrete From Local Materials In Nepal, In 5 th International RILEM Symposium on Self Compacting Concrete (SCC 27), 3-5 September 27, Eds. De Schutter, G. and Boel, V., RILEM Proceedings, Pro 54, Volume 1, pp. 61-66. Şengül, C., Kendiliğinden Yerleşen Çelik Lif Donatılı Betonların Mekanik Davranışına Su/İnce Malzeme Oranının ve Lif Dayanımının Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 25. Taşdemir, M.A. and Karihaloo, B.L., Effect of Aggregate Volume Fraction on the Fracture Parameters of Concrete: A Meso-Mechanical Approach, Magazine of Concrete Research, Vol. 53, No. 6, Dec. 21, pp.45-415. Taşdemir, M.A., Akyüz, S., Bayramov, F., and Ağar, A.Ş., Inclusion Based Modelling of Concrete with Various Aggregate Volume Fractions, 1th International Symposium on Continuum Models and Discrete Systems (CMDS1), 29 June-4 July 23, Tel Aviv, NATO Science Series, Kluwer Academic Publishers, 24, pp.253-258 Yılmaz, B., Dinç, A., Şengül, C., Akkaya, Y. ve Taşdemir, M.A., Effects of Cement/Powder Ratio On Workability and Mechanical Behaviour Of SCFRCs, International Conference on Advances in Cement Based Materials and Applications in Civil Infrastructure -(ACBM-ACI), Lahore, December 12-14, 27, 11 pp. 382