ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ Fatih ÖZCAN SİLİS DUMANI İÇEREN HARÇ VE BETONLARIN ÖZELLİKLERİ VE HIZLANDIRILMIŞ KÜR İLE DAYANIM TAHMİNİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2005 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

SİLİS DUMANI İÇEREN HARÇ VE BETONLARIN ÖZELLİKLERİ VE HIZLANDIRILMIŞ KÜR İLE DAYANIM TAHMİNİ Fatih ÖZCAN DOKTORA TEZİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez 01 / 04 / 2005 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği / Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza... İmza... İmza... Doç. Dr. Cengiz D. ATİŞ Doç. Dr.Alaettin KILIÇ Yrd. Doç. Dr. A.HamzaTANRIKULU DANIŞMAN ÜYE ÜYE İmza... Yrd. Doç. Dr. İsmail H. ÇAĞATAY ÜYE İmza... Yrd. Doç. Dr. Umur Korkut SEVİM ÜYE Bu tez Enstitümüz İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve Mühür Bu Çalışma Çukurova Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FBE 2002 D-225 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

ÖZ DOKTORA TEZİ SİLİS DUMANI İÇEREN HARÇ VE BETONLARIN ÖZELLİKLERİ VE HIZLANDIRILMIŞ KÜR İLE DAYANIM TAHMİNİ Fatih ÖZCAN ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman : Doç. Dr. Cengiz Duran ATİŞ Yıl : 2005, Sayfa: 173 Jüri : Doç. Dr. Cengiz Duran ATİŞ Doç. Dr. Alaettin KILIÇ Yrd. Doç. Dr. İsmail H. ÇAĞATAY Yrd. Doç. Dr. A. Hamza TANRIKULU Yrd. Doç. Dr. Umur Korkut SEVİM Bu laboratuvar çalışmasında, Antalya Etibank Elektrometalurji İşletmesinden alınan silis dumanının harç ve beton özelliklerine olan etkileri araştırılmıştır. Değişen su-bağlayıcı ve silis dumanı oranlarıyla hazırlanan harç ve betonların özellikleri, sadece Normal Portland Çimentosu ile üretilen kontrol harç ve beton karışımları ile karşılaştırılmıştır. Yürütülen deneyler sonucunda, %10, 15 ve 20 silis dumanı ilavesi ile harç numunelerin basınç, eğilme ve aşınma dayanımları artmış, boşluk oranı ve kapiler su emme katsayılarında şahit numuneye göre önemli oranlarda düşüş gözlenmiştir. Harç karışımlara %40 oranında silis dumanı ilavesi yukarıda ifade edilen silis dumanı oranlarından daha az etkili olmuştur. Beton karışımlarda kullanılan silis dumanı, kontrol betonlarına göre basınç mukavemetinde %50 ye varan artış gerçekleştirmiştir. Silis dumanı ile üretilen harç ve betonların basınç mukavemetlerinin, kuru kür şartlarından kontrol betonlarına göre daha fazla etkilendiği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Silis Dumanı, Harç, Beton, Basınç Mukavemeti. I

ABSTRACT Ph. D. THESIS PROPERTIES OF SILICA FUME MORTAR AND CONCRETE AND PREDICTION OF COMPRESSIVE STRENGTH BY ACCELERATED CURING Fatih ÖZCAN DEPARTMENT OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Cengiz Duran ATİŞ Year : 2005, Pages: 173 Jury : Assoc. Prof. Dr. Cengiz Duran ATİŞ Assoc. Prof. Dr. Alaettin KILIÇ Assist. Prof. Dr. İsmail H. ÇAĞATAY Assist. Prof. Dr. A. Hamza TANRIKULU Assist. Prof. Dr. Umur Korkut SEVİM In this laboratory research, influence of the use of Silica Fume (SF), which is provided from Antalya Etibank Elektrometalurji Plant, on mortar and concrete properties was investigated. Measured properties of silica fume mortar and concrete prepared using different amount of silica fume and water-binder ratio were compared with the control mortars and concretes made with Normal Portland Cement (NPC) only. The results of testing carried out showed that 10%, 15% and 20% replacement of silica fume with cement in mortar result an increment in compressive and tensile strength, resistance to abrasion and, it reduced porosity and capillary water absorption coefficient compared to control mortar made with NPC only. However, replacement of 40% silica fume was found to be less effective than the former replacement ratios. Concrete compressive strength made with silica fume was found to be, in the order of 50%, higher than the conrol concrete made with NPC only. The results obtained also showed that compressive strength of silica fume mortar and concrete cured in dry environment was influenced more than that of NPC concrete. Keywords: Silica Fume, Mortar, Concrete, Compressive Strength II

TEŞEKKÜR Doktora tez programımın yürütülmesi esnasında, çalışmalarıma yön veren, değerli bilgi ve yardımlarını esirgemeyen ve bana her türlü desteği sağlayan danışman hocam, sayın Doç. Dr. Cengiz Duran ATİŞ e en içten teşekkürlerimi sunarım. Doktora tez çalışmam esnasında deneysel çalışmaların yürütülmesinde katkılarını esirgemeyen başta Arş. Gör.Okan KARAHAN, Arş.Gör Cahit BİLİM ve İnşaat Mühendisi Alper DEMİR olmak üzere, tüm mesai arkadaşlarıma teşekkür ederim. Deneysel çalışmalarda kullanılan süperakışkanlaştırıcı temininde yardımcı olan Sikament firması yetkililerine, çimentonun temininde ve silis dumanının kimyasal analizlerinin yapılmasındaki katkılarından dolayı Adana Çimento Sanayine ve sayın Hakan ÖZBEBEK e teşekkür ederim. Ayrıca tüm öğrenim hayatım boyunca benden desteklerini esirgemeyen aileme teşekkürü bir borç bilirim. III

İÇİNDEKİLER SAYFA NO ÖZ...I ABSTRACT...II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... IX ŞEKİLLER DİZİNİ...XII SİMGELER VE KISALTMALAR... XVI 1. GİRİŞ... 1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 5 2.1. Giriş... 5 2.1.1. Silis Dumanı İçeren Betonun Özellikleri... 6 2.1.1.1. İşlenebilme Kabiliyeti... 6 2.1.1.2. Kanama, Terleme, Hava Sürükleme, Ayrışma... 7 2.1.1.3. Priz Süresi... 8 2.1.1.4. Hidratasyon Isısı... 9 2.1.1.5. Basınç Dayanımı... 10 2.1.1.6. Aşınma... 13 2.1.1.7. Rötre... 14 2.1.1.8. Boşlukluluk ve Geçirgenlik... 15 2.1.1.9. Karbonatlaşma... 17 2.1.1.10. Sülfat ve Diğer Zararlı Kimyasallara Dayanıklılık... 18 2.1.1.11. Alkali-Silika Reaksiyonu ve Genleşme... 20 2.1.1.12. Donma-Çözünme Dayanımı... 22 2.1.1.13. Elastisite Modülü... 23 3. MATERYAL VE METOD... 24 3.1. Betonu Oluşturan Malzemeler... 24 3.1.1. Karışım ve Bakım Suyu... 24 3.1.2. Bağlayıcı Maddeler... 25 3.1.2.1. Çimento... 26 IV

3.1.2.1.(1). Çimentonun Üretilmesi... 26 3.1.2.1.(2). Çimentonun Oksitleri, Ana Bileşenleri ve Reaksiyonları... 27 3.1.2.1.(3). Çimentonun Hidratasyonu... 28 3.1.2.1.(4). Hidratasyon Isısı... 30 3.1.2.1.(5). Çimentonun Prizi... 30 3.1.2.1.(6). Çimentonun Rötresi... 31 3.1.2.1.(7). Çimentonun İnceliği... 33 3.1.2.1.(8). Çimentoların Standart Deneyleri... 34 3.1.3. Agregalar... 37 3.2. Puzolanlar ve Çok İnce Öğütülmüş Diğer Mineral Katkılar...38 3.2.1. Giriş... 38 3.2.2. İnce Öğütülmüş Mineral Katkıların Sınıflandırılması... 39 3.2.3. Puzolanik Malzemeler...40 3.2.3.1. Puzolanların Tanımı... 40 3.2.3.2. Puzolanik Malzemelerin Tipleri... 41 3.2.3.3. Puzolanik Reaksiyon... 41 3.2.3.4. Puzolanik Aktiflik... 42 3.2.3.5. Puzolanik Malzemelerin Kullanımı... 43 3.2.4. Bağlayıcı Malzemeler Olarak İnce Öğütülmüş Mineral Katkılar... 44 3.2.4.1. Su Kireci... 44 3.2.4.2. Duvar Harcı Çimentosu... 44 3.2.4.3. Curuf Çimentosu... 44 3.2.5. İnce Öğütülmüş Diğer Mineral Katkılar... 45 3.2.6. İnce Öğütülmüş Mineral Katkıların Kullanım Amacı... 45 3.3. Silis Dumanı...46 3.3.1. Silis Dumanının Fiziksel Özellikleri... 47 3.3.1.1. Renk... 47 3.3.1.2. İncelik...47 3.3.1.3. Özgül Ağırlık...48 3.3.1.4. Sıkıştırılmamış Halde Birim Ağırlık... 48 V

3.3.1.5. Puzolanik Aktiflik ve Su İhtiyacı... 48 3.3.2. Silis Dumanının Kompozisyonu ve Kimyasal Özellikleri... 49 3.3.2.1. Silisyum Alüminyum ve Demir Oksit... 50 3.3.2.2. Magnezyum Kükürt ve Alkaliler... 51 3.3.2.3. Karbon İçeriği ve Kızdırma Kaybı... 51 3.3.3. Silis Dumanının Beton Özellikleri Üzerine Etkileri... 51 3.3.3.1. Taze Beton Özellikleri Üzerine Etkisi...52 3.3.3.1.(1). Su İhtiyacı... 52 3.3.3.1.(2). İşlenebilirlik... 53 3.3.3.1.(3). Priz Zamanı.... 53 3.3.3.1.(4). Hidratasyon Isısı... 54 3.3.3.1.(5). Hava Sürükleme.... 54 3.3.3.1.(6). Kanama-Kusma.... 54 3.3.3.2. Katılaşmış Beton Özellikleri Üzerine Etkileri... 55 3.3.3.2.(1). Dayanım... 55 3.3.3.2.(2). Permeabilite... 56 3.3.3.2.(3). Kuruma Rötresi... 56 3.3.3.2.(4). Aşınma Direnci... 57 3.3.3.2.(5). Zararlı Kimyasallara ve Sülfata Karşı Direnci... 57 3.3.3.2.(6). Alkali-Silika Reaksiyonu... 57 3.3.4. Silis Dumanının Test Edilmesi İçin Standart Metodlar... 58 3.3.5. Silis Dumanının Uygunluğu İçin Sınır Değerler... 58 4. MALZEME ÖZELLİKLERİ... 59 4.1. Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri... 59 4.1.1. Çimento... 59 4.1.2. Silis Dumanı... 60 4.1.3. Süperakışkanlaştırıcı Katkı... 60 4.1.4. Su... 60 4.1.5. Agrega... 61 4.1.5.1. Beton Üretiminde Kullanılan Agregalar... 61 4.1.5.2. Harç Üretiminde Kullanılan İnce Agrega... 62 VI

4.2. Beton Karışım Oranları... 64 4.3. Harç Karışım Oranları... 66 4.4. Deneysel Çalışmalar... 66 4.4.1. Harç Numuneler Üzerinde Yürütülen Çalışmalar... 66 4.4.2. Beton Numuneler Üzerinde Yürütülen Çalışmalar... 67 4.5. Notasyonlar... 68 5. DENEY SONUÇLARI BULGULAR VE TARTIŞMA... 69 5.1. Harç Karışımlar Üzerinde Yapılan Deneyler... 69 5.1.1. Kıvam... 69 5.1.2. Harç Numune Basınç Mukavemetleri... 71 5.1.2.1. Basınç Mukavemetlerinin 28 Günlük Şahit Numune Basınç Mukavemeti İle Kıyaslanması... 76 5.1.2.2. Kür Şartlarının Basınç Mukavemeti Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi... 78 5.1.3. Harç Numune Eğilme Mukavemeti... 80 5.1.3.1. Eğilme Mukavemetlerinin 28 Günlük Şahit Numune Eğilme Mukavemeti İle Kıyaslanması... 84 5.1.3.2. Kür Şartlarının Eğilme Mukavemeti Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi... 86 5.1.4. Basınç Mukavemeti ve Eğilme Mukavemeti Arasındaki İlişki... 87 5.1.5. Harç Numune Aşınma Mukavemeti... 88 5.1.5.1. Kür Şartlarının Aşınma Mukavemetine Etkisinin İncelenmesi.. 90 5.1.5.2. Aşınma Mukavemeti-Basınç Mukavemeti İlişkisi... 91 5.1.5.3. Aşınma Mukavemeti-Eğilme Mukavemeti İlişkisi... 93 5.1.6. Harç Numune Karbonatlaşma Değerleri... 94 5.1.7. Su Emme ve Boşluk Oranı... 96 5.1.7.1. Boşluk Oranı ve Basınç Mukavemeti İlişkisi... 98 5.1.7.2. Boşluk Oranı ve Aşınma Mukavemeti İlişkisi... 99 5.1.8. Kapiler Su Emme Katsayıları... 100 5.1.9. Harç Numune Rötre Değerleri... 102 5.2. Beton Numuneler Üzerinde Yapılan Deneyler ve Sonuçları... 107 VII

5.2.1. Kıvam ve Birim Ağırlık Değerleri... 107 5.2.2. Beton Numune Basınç Mukavemetleri... 109 5.2.2.1. 350 Dozlu Beton Numune Basınç Mukavemetleri... 110 5.2.2.1.(1). 350 Dozlu Beton Basınç Mukavemetlerinin 28 Günlük Şahit Numune Basınç Mukavemeti ile Kıyaslanması... 114 5.2.2.2. 400 Dozlu Beton Numune Basınç Mukavemetleri... 116 5.2.2.2.(1). 400 Dozlu Beton Basınç Mukavemetlerinin 28 Günlük Şahit Numune Basınç Mukavemeti ile Kıyaslanması... 120 5.2.2.3. 450 Dozlu Beton Numune Basınç Mukavemetleri... 122 5.2.2.3.(1). 450 Dozlu Beton Basınç Mukavemetlerinin 28 Günlük Şahit Numune Basınç Mukavemeti ile Kıyaslanması... 127 5.2.2.4. Kür Şartlarının Basınç Mukavemeti Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi... 128 5.2.2.5. Hızlandırılmış Ilık Su Kürü Basınç Mukavemeti Sonuçları... 131 5.2.2.5.(1). Hızlandırılmış Ilık Kür ile Normal Kür Basınç Mukavemetlerinin Karşılaştırılması... 135 5.2.2.5.(2). Hızlandırılmış Ilık Su Kürü Basınç Mukavemetinin Normal Su Kürü Basınç Mukavemetlerine Oranı... 147 5.2.3. Ultrasonik Ses Dalgası Ölçümleri... 150 5.2.4. Harç Numune Basınç Mukavemetleri ile Beton Numune Basınç Mukavemetlerinin Karşılaştırılması... 155 6. SONUÇLAR ve ÖNERİLER... 158 6.1. Harç Karışımlar Üzerinde Saptanan Bulgular... 158 6.2. Beton Karışımlar Üzerinde Saptanan Bulgular... 159 6.3. Öneriler... 161 KAYNAKLAR... 163 ÖZGEÇMİŞ... 173 VIII

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA NO Çizelge 3.1. Portland çimentosunu oluşturan oksitler ve yaklaşık miktarları... 27 Çizelge 3.2. Çimentonun ana bileşenleri... 28 Çizelge 3.3. Çimentonun ana bileşenlerinin özellikleri... 30 Çizelge 3.4. Silis dumanının puzolanik aktivite ve su ihtiyacının diğer puzolanlar ile karşılaştırılması... 49 Çizelge 3.5. Silis dumanının kimyasal kompozisyonu... 50 Çizelge 3.6. Silis dumanının beton özellikleri üzerine etkileri... 52 Çizelge 4.1. Kullanılan çimentonun kimyasal bileşimi... 59 Çizelge 4.2. Kullanılan çimentonun fiziksel özellikleri... 60 Çizelge 4.3. Silis dumanı kimyasal kompozisyonu... 60 Çizelge 4.4. Karışık agrega granülometrisi ve TS 706 standart sınırları... 61 Çizelge 4.5. Harç numunelerde kullanılan kuma ait fiziksel özellikler... 62 Çizelge 4.6. Harç numunelerde kullanılan kuma ait elek analizi sonuçları... 63 Çizelge 4.7. Bir metreküp beton karışımı için gerekli yaklaşık malzeme miktarları... 65 Çizelge 5.1. Harç karışımlarının kıvam değerleri ve akışkan miktarları... 70 Çizelge 5.2. 0.25 S/B oranındaki harçların basınç mukavemeti... 72 Çizelge 5.3. 0.30 S/B oranındaki harçların basınç mukavemeti... 72 Çizelge 5.4. 0.40 S/B oranındaki harçların basınç mukavemeti... 73 Çizelge 5.5. 0.50 S/B oranındaki harçların basınç mukavemeti... 74 Çizelge 5.6. 0.60 S/B oranındaki harçların basınç mukavemeti... 74 Çizelge 5.7. Islak kür edilen harç basınç mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune basınç mukavemetine oranı... 76 Çizelge 5.8. Kuru kür edilen harç basınç mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune basınç mukavemetine oranı... 77 Çizelge 5.9. Kuru kür edilen harç basınç mukavemetlerinin ıslak kür edilen harç basınç mukavemetine oranı... 79 IX

Çizelge 5.10. 0.25 S/B oranındaki harçların eğilme mukavemeti... 80 Çizelge 5.11. 0.30 S/B oranındaki harçların eğilme mukavemeti... 81 Çizelge 5.12. 0.40 S/B oranındaki harçların eğilme mukavemeti... 81 Çizelge 5.13. 0.50 S/B oranındaki harçların eğilme mukavemeti... 82 Çizelge 5.14. 0.60 S/B oranındaki harçların eğilme mukavemeti... 82 Çizelge 5.15. Islak kür edilen harç eğilme mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune eğilme mukavemetine oranı... 84 Çizelge 5.16. Kuru kür edilen harç eğilme mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune eğilme mukavemetine oranı... 85 Çizelge 5.17. Kuru kür edilen harç eğilme mukavemetlerinin ıslak kür edilen harç eğilme mukavemetine oranı... 86 Çizelge 5.18. Islak kür edilen harçların aşınma oranları... 89 Çizelge 5.19. Kuru kür edilen harçların aşınma oranları... 90 Çizelge 5.20. Kür şartlarının aşınmaya etkisi... 91 Çizelge 5.21. Kuru kür edilen harçların karbonatlaşma değerleri... 95 Çizelge 5.22. Harçların ağırlıkça su emme oranları... 96 Çizelge 5.23. Harçların boşluk oranları... 97 Çizelge 5.24. Harçlara ait kapiler su emme katsayıları... 100 Çizelge 5.25. Taze betonların sarsma tablası yayılma değerleri ve akışkan miktarı... 108 Çizelge 5.26. Taze betonların birim ağırlık ve kydh birim ağırlıkları... 109 Çizelge 5.27. 350 doz karışımlara ait basınç mukavemeti... 110 Çizelge 5.28. 350 dozlu beton basınç mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune basınç mukavemetine oranı... 115 Çizelge 5.29. 400 doz karışımlara ait basınç mukavemeti değerleri... 116 Çizelge 5.30. 400 dozlu beton basınç mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune basınç mukavemetine oranı... 121 Çizelge 5.31. 450 doz karışımlara ait basınç mukavemeti değerleri... 122 Çizelge 5.32. 450 dozlu beton basınç mukavemetlerinin 28 günlük şahit numune basınç mukavemetine oranı... 127 X

Çizelge 5.33. 28 gün ıslak ve kuru kür edilen betonların basınç mukavemetleri... 128 Çizelge 5.34. Farklı kür edilen betonların basınç mukavemetleri oranı ve % farkları... 129 Çizelge 5.35. Hızlandırılmış ılık su kürü basınç mukavemeti sonuçları... 132 Çizelge 5.36. Ilık kür-normal kür ilişkisine ait denklemlerin eğimleri... 146 Çizelge 5.37. Hızlandırılmış ılık kür ile 3 günlük normal kür basınç mukavemetleri oranı... 147 Çizelge 5.38. Hızlandırılmış ılık kür ile 7 günlük normal kür basınç mukavemetleri oranı... 148 Çizelge 5.39. Hızlandırılmış ılık kür ile 28 günlük normal kür basınç mukavemetleri oranı... 148 Çizelge 5.40. Hızlandırılmış ılık kür ile 180 günlük normal kür basınç mukavemetleri oranı... 149 Çizelge 5.41. Hızlandırılmış ılık kür ile 500 günlük normal kür basınç mukavemetleri oranı... 149 Çizelge 5.42. 28 günlük betonlara ait ultrasonik ses dalgası hızları.... 150 Çizelge 5.43. Ultrases sonuçlarının pratik değerlendirilmesi... 151 XI

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA NO Şekil 3.1. Eğilme deneyi... 35 Şekil 3.2. Basınç deneyi... 36 Şekil 4.1. Beton karışımlarda kullanılan agreganın granülometri eğrisi... 62 Şekil 4.2. Harç numunelerde kullanılan kuma ait elek analizi grafiği... 63 Şekil 5.1a. Islak ve kuru kür numunelerinin basınç mukavemeti ile eğilme mukavemeti ilişkisi... 87 Şekil 5.1b. Her iki kür durumundaki numunelerinin basınç mukavemeti ile eğilme mukavemeti ilişkisi... 88 Şekil 5.2a. Aşınma % ağırlık kaybı-basınç mukavemeti ilişkisi... 92 Şekil 5.2b. Aşınma % ağırlık kaybı-basınç mukavemeti ilişkisi... 92 Şekil 5.3a. Aşınma % ağırlık kaybı-eğilme mukavemeti ilişkisi... 93 Şekil 5.3b. Aşınma % ağırlık kaybı-eğilme mukavemeti ilişkisi... 94 Şekil 5.4. Karbonatlaşma yapan harç numuneleri... 95 Şekil 5.5. Boşluk oranı-basınç mukavemeti ilişkisi... 98 Şekil 5.6. Boşluk oranı-aşınma ilişkisi... 99 Şekil 5.7a. Su emme oranı- kapiler su emme katsayısı ilişkisi... 101 Şekil 5.7b. Boşluk oranı- kapiler su emme katsayısı ilişkisi... 102 Şekil 5.8. 0.25 S/B oranına sahip harçların rötre-zaman ilişkisi... 103 Şekil 5.9. 0.30 S/B oranına sahip harçların rötre-zaman ilişkisi... 103 Şekil 5.10. 0.40 S/B oranına sahip harçların rötre-zaman ilişkisi... 104 Şekil 5.11. 0.50 S/B oranına sahip harçların rötre-zaman ilişkisi... 105 Şekil 5.12. 0.60 S/B oranına sahip harçların rötre-zaman ilişkisi... 105 Şekil 5.13. 0.30 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (350 kg/m 3 )... 111 Şekil 5.14. 0.40 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (350 kg/m 3 )... 112 Şekil 5.15. 0.50 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (350 kg/m 3 )... 113 XII

Şekil 5.16. 0.60 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi(350 kg/m 3 )... 114 Şekil 5.17. 0.30 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (400 kg/m 3 )... 117 Şekil 5.18. 0.40 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (400 kg/m 3 )... 118 Şekil 5.19. 0.50 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (400 kg/m 3 )... 119 Şekil 5.20. 0.60 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (400 kg/m 3 )... 120 Şekil 5.21. 0.30 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (450 kg/m 3 )... 123 Şekil 5.22. 0.40 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (450 kg/m 3 )... 124 Şekil 5.23. 0.50 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (450 kg/m 3 )... 125 Şekil 5.24. 0.60 S/B oranına sahip betonların basınç mukavemetizaman ilişkisi (450 kg/m 3 )... 126 Şekil 5.25. Kuru ve ıslak kür şartlarından elde edilen betonların basınç mukavemeti ilişkisi... 130 Şekil 5.26. Ilık kür edilen 350 dozlu beton numunelerin basınç mukavemeti... 133 Şekil 5.27. Ilık kür edilen 400 dozlu beton numunelerin basınç mukavemeti... 134 Şekil 5.28. Ilık kür edilen 450 dozlu beton numunelerin basınç mukavemeti... 134 Şekil 5.29. Şahit betonda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (3 günlük)... 135 Şekil 5.30. Şahit betonda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (7 günlük)... 136 Şekil 5.31. Şahit betonda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (28 günlük)... 136 Şekil 5.32. Şahit betonda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (180 günlük)... 137 XIII

Şekil 5.33. Şahit betonda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (500 günlük)... 137 Şekil 5.34. %10 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (3 günlük)... 138 Şekil 5.35. %10 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (7 günlük)... 138 Şekil 5.36. %10 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (28 günlük)... 139 Şekil 5.37. %10 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (180 günlük)... 139 Şekil 5.38. %10 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (500 günlük)... 140 Şekil 5.39. %15 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (3 günlük)... 140 Şekil 5.40. %15 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (7 günlük)... 141 Şekil 5.41. %15 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (28 günlük)... 141 Şekil 5.42. %15 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (180 günlük)... 142 Şekil 5.43. %15 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (500 günlük)... 142 Şekil 5.44. %20 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (3 günlük)... 143 Şekil 5.45. %20 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (7 günlük)... 143 Şekil 5.46. %20 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (28 günlük)... 144 Şekil 5.47. %20 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (180 günlük)... 144 XIV

Şekil 5.48. %20 Silis dumanı içeren betonlarda ılık kür-normal kür basınç mukavemeti ilişkisi (500 günlük)... 145 Şekil 5.49. Ilık kür-normal kür ilişkisine ait denklemlerin eğimzaman ilişkisi... 146 Şekil 5.50. Ilık kür-normal kür ilişkisine ait denklemlerin eğimsilis dumanı ilişkisi... 146 Şekil 5.51. Islak kür-kuru kür ultrasonik dalga hızları ilişkisi... 151 Şekil 5.52. Şahit betonlara ait ultrases dalga hızları-basınç mukavemeti ilişkisi... 152 Şekil 5.53. %10 Silis dumanlı betonlara ait ultrases dalga hızları-basınç mukavemeti ilişkisi... 153 Şekil 5.54. %15 Silis dumanlı betonlara ait ultrases dalga hızları-basınç mukavemeti ilişkisi... 153 Şekil 5.55. %20 Silis dumanlı betonlara ait ultrases dalga hızları-basınç mukavemeti ilişkisi... 154 Şekil 5.56. Harç numune ile beton numune basınç mukavemetleri ilişkisi... 155 Şekil 5.57. Kür şartı-harç ve beton numune basınç mukavemetleri ilişkisi... 156 XV

SİMGELER VE KISALTMALAR A B D E.K. K.K. L Ö.A. Ö.Y. P σ : Kesit alanı : Numune kesitinin kenar uzunluğu : Numune kesitinin yüksekliği :Erimez kalıntı : Kızdırma kaybı : Destek silindirleri arasındaki mesafe : Özgül ağırlık : Özgül yüzey : Uygulanan kuvvet : Eğilme dayanımı XVI

1. GİRİŞ Fatih ÖZCAN 1. GİRİŞ Doğayı kirleten endüstriyel atıkların beton üretiminde kullanılmak üzere değerlendirilmesi, günümüzde yapılan çalışmaların çoğunluğunu teşkil etmektedir ve bu eğilim gün geçtikçe artmaktadır. Ülkemizin yaşamış olduğu depremlerde karşılaşılan en önemli sorunlardan birisi yapılarda üretilen betonun kalitesizliği ve betonu oluşturan malzemelerin uygun oranlarda kullanılmamasıdır. Son yıllarda beton üretimi ve kullanımı alanlarında birçok yeni gelişmeler ortaya çıkmıştır. Bunlar arasında yüksek dayanımlı betonun üretilmesi ve kullanılması en önemli gelişmelerden birisidir. Bu sayede beton basınç mukavemeti 1000 kgf/cm 2 yi geçen değerlere ulaşmıştır. Bu seviyede üretilen betonların dizaynında vazgeçilmez unsurlardan birisi de silis dumanıdır. Endüstriyel üretim yapan birçok ülkede hava kirliliğini önlemek amacıyla atmosfere bırakılan gazlar özel filtreler yardımıyla tutulmaktadır. Toplanan bu atık maddelerin ne yapılacağı ise önemli bir sorun teşkil etmektedir. Bu tür atık malzemelerden birisi olan silis dumanı ile ilgili ilk çalışmalar 1969 lu yıllarda Norveç de başlamıştır. Silis dumanı, silisyum metali veya ferrosilisyum (FeSi) alaşımlarının üretimi sırasında kullanılan elektrik ark fırınlarında yüksek saflıktaki kuvarsitin kömür ve odun parçacıkları ile indirgenmesi sonucu elde edilen çok ince taneli tozdur. Fırınların düşük sıcaklıktaki üst bölümlerinde SiO gazı hava ile temas ederek hızla okside olur ve amorf SiO 2 olarak yoğunlaşarak silis dumanı bileşiminin hemen hemen tamamını oluşturur. Alaşımdaki silisyum içeriğine bağlı olarak silis dumanındaki SiO 2 miktarı da artar. Bu miktar silisyum metalinde %98'e ulaşır (Yeğinobalı 2002). Puzolanik özelliklere sahip bir çok doğal ve yapay madde çok eski zamanlardan günümüze değin yapım alanında ve beton üretiminde çeşitli amaçlarla kullanılmışlardır. Betonun temel bileşimlerinden olmayan bu maddeler, gelişen beton teknolojisinde betonun çeşitli fiziksel, mekanik ve durabilite özelliklerini değiştirmek ve üretimde ekonomi sağlamak amacıyla kullanılan katkı maddeleri olarak adlandırılmaktadır. 1

1. GİRİŞ Fatih ÖZCAN Ülkemizde endüstriyel atıklardan uçucu kül, yüksek fırın cürufu, silis dumanı ve diğer doğal puzolanlar, mineral katkı maddesi olarak bilinirler. Harç ve beton üretiminde genellikle ikincil bağlayıcı madde olarak portland çimentosunun ağırlık yüzdesi oranında, çimentonun bir kısmı yerine veya ilave olarak bazen de çimentoya önceden karıştırılarak katkılı çimento şeklinde kullanılmışlardır (Ekinci, 1995). Betonda kullanılan mineral katkı maddeleri, portland çimentosuna benzer minerolojik ve kimyasal bileşimler ile fiziksel özelliklere sahip olmalarına rağmen büyük çoğunluğunun kendi başlarına bağlayıcılık yetenekleri yoktur. Bu maddeler puzolanik aktiviteleri nedeniyle hidratasyon ürünlerinin oluşumunda etkinlik göstererek bağlayıcı hamur yapısını değiştirirler. Böylece betonun çeşitli özellikleri iyileştirilirken, puzolanik aktivitesi yüksek olan mineral katkı maddeleri, boşluk yapısını iyileştirerek daha yoğun bir bağlayıcı hamurun oluşmasını, agrega-hamur ara yüzeyindeki aderansın artmasını sağlamakta ve yüksek mukavemetlere erişilmesi mümkün olabilmektedir (Özturan, 1991: Sevim, 2003). Silis dumanı, amorf yapıya sahip olduğundan, çok ince taneli ve yüksek miktarda SiO 2 içerdiğinden mükemmel bir puzolanik malzemedir. Diğer puzolanik malzemeler gibi, kalsiyum hidroksitle sulu ortamda birleştirildiği takdirde, hidrolik bağlayıcılık göstermektedir. Silis dumanı, portland çimentosu klinkeriyle ve küçük bir miktardaki alçıyla birlikte öğütülerek silis dumanlı çimento (çimento-silika füme) üretiminde kullanılabilmektedir. Ancak, asıl kullanımı beton katkı maddesi tarzındadır. Silis dumanının çok ince tanelerden oluşması, taze betonun kıvamını ve işlenebilirliğini azaltmakta, su ihtiyacını artırmaktadır. Bu nedenle, yüksek dayanımlı beton üretimi için katkı maddesi olarak silis dumanı kullanıldığında, ayrıca su azaltıcı katkı maddesi de kullanılmaktadır (Erdoğan, 2003). Süperakışkanlaştırıcı kimyasal katkılardaki gelişmeler sonucu yüksek dayanımlı ve yüksek performanslı betonların vazgeçilmez bir bileşeni haline gelen silis dumanı, günümüz endüstrisine problem yaratan bir atık değil ekonomik değeri olan bir madde haline gelmiştir. Eldeki rakamlara göre dünyadaki yıllık silis dumanı üretimi l milyon ton civarında olup bunda A.B.D'nin payı l30.000 ton, Norveç'inki ise 120.000 ton kadardır (Yeğinobalı, 2002). 2

1. GİRİŞ Fatih ÖZCAN Silis dumanı katkılı çimento ve betonlar yüksek dayanım ve dayanıklılık isteyen yerlerde kullanılmaktadır. Silis dumanının beton içindeki davranışı fizikokimyasaldır. Bu davranışın fiziksel kısmı çimento hamuru matrisindeki, özellikle de agrega-çimento arayüzeyindeki, boşluk sisteminin boyutunun küçültülmesidir. Kimyasal kısım ise zayıf kalsiyum-hidroksit (kireç) kristallerini kalsiyum silikat hidrateye dönüştüren puzolanik reaksiyondan oluşmaktadır (Toutanji and Bayasi, 1999; Özturan, 1993: Atiş ve ark. 2004). Bu davranış sonucunda silis dumanı, beton basınç ve çekme dayanımını artırmanın yanısıra durabilite ve geçirimsizlikte de oldukça önemli iyileşmeler sağlar ( Toutanji and Bayasi, 1999). Silis dumanının beton içinde kullanılması, betonun asit ve sülfat saldırılarına karşı durabilitesini artırmakta, boşluk oranını ve geçirimliliğini azaltmaktadır (Aköz ve ark. 1995; Turker ve ark, 1997; Aköz ve ark, 1999; Erdoğan, 2003). Aşınmaya karşı direncini artırmakta, alkali-silis reaksiyonundan dolayı oluşacak genleşmeyi azaltmaktadır ( Mehta, 1985: Atiş ve ark. 2004). Silis dumanının beton katkı maddesi olarak uygulama alanları, yerinde dökülmüş veya prefabrike yüksek dayanımlı veya erken dayanımı yüksek beton elemanları, ağır aşınmaya maruz döşemeler ve yol kaplamaları, erozyona ve oyulmaya maruz hidrolik yapılar, zararlı kimyasallara maruz betonlar, deniz yapıları, yüksek dayanımlı hafif beton elemanlar, beton elemanların onarımı ve güçlendirilmesi, çelik donatının korunması, yüksek performanslı çimento şerbet ve sıvaları sayılabilir. Türkiye'de silis dumanı Antalya'da Etibank Elektrometalurji A.Ş. tesislerinde elde edilmektedir. Ferrosilisyum ve silikoferrokrom baca tozları olarak yıllık üretim miktarları toplam l.000-2.000 ton arasında değişmektedir. Buradan elde edilen silis dumanı 1980'li yılların sonlarından itibaren özellikle üniversitelerimizde çimento ve beton katkı maddesi olarak çeşitli araştırmalarda kullanılmıştır. Bileşimleri Çizelge 3.5'de verilen silis dumanları zaman zaman inşaat, yalıtım ve ateş tuğlası endüstrilerinden alıcı bulmuştur. Son yıllarda bazı hazır beton üreticileri tarafından kullanılmaktadır (Yeğinobalı 2002). Bu doktora tez çalışması ile, ülkemizde üretilmekte olan silis dumanının beton ve harç karışımları içinde kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda harç ve beton karışımlar üzerinde Bölüm 4.4 de anlatılan seri deneyler 3

1. GİRİŞ Fatih ÖZCAN yürütülmüş olup, silis dumanının harç ve beton karışımlar üzerinde ne şekilde etkili olduğu geniş bir perspektif ile ortaya konmaya çalışılmıştır. 4

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.1. Giriş Beton teknolojisinde son yıllarda meydana gelen gelişmeler, yüksek dayanımlı ve yüksek performanslı beton üretilebilmesi yönündedir. Bu amaç doğrultusunda birçok bilimsel çalışmada, çimentonun hidratasyonuna katılmayan, fakat taze betonun reolojisi açısından gerekli olan suyun, mukavemet ve durabilite üzerindeki olumsuz etkilerini ortadan kaldırmak için su miktarını azaltmanın yolları araştırılmıştır. Yüksek mukavemetli beton elde etmenin önündeki ikinci bir engel ise çok yüksek kompasiteli bir karışım hamurunun elde edilebilmesidir. Yüksek mukavemetli beton elde edilmesindeki bu iki aşamalı problemin çözümü süperakışkanlaştırıcıların ve mineral katkıların beton üretiminde kulanılmasıyla birlikte oldukça kolaylaşmıştır. Organik kökenli kimyasal katkılar (süperakışkanlaştırıcılar) karışımdaki çimento taneciklerinin topaklanmalarını önleyerek, betonun işlenebilirliği sağlayacak olan suyun topaklanan bu çimento tanelerinin arasından kurtulmasını sağlamakta ve böylece aynı işlenebilirlik için gerekli olan su miktarı azalmaktadır. Karışıma giren su miktarının azalması ise basınç mukavemetini artırma yönünde etkili olacaktır. Karışıma girecek olan su miktarı süperakışkanlaştırıcı ile çözüldükten sonra ikinci aşamada sertleşmiş betonun en zayıf noktası olan agrega-çimento hamuru geçiş bölgesinin güçlendirilmesi gerekmektedir. Agrega-çimento hamuru geçiş bölgesinin zayıf olmasının başlıca sebebi ise çimentonun hidratasyonu sonucunda bu bölgede oluşan düşük mukavemetli kalsiyum hidroksittir. Çok yüksek puzolanik aktivite ve çok ince taneli olmasıyla silis dumanı bu aşamada devreye girerek düşük mukavemetli Ca(OH) 2 kristallerini daha yüksek mukavemetli kalsiyum-silika-hidrat kristallerine (C-S-H) dönüştürmektedir. Silis dumanının yüksek puzolanik aktiviteye sahip olmasının nedeni ise yüksek oranda (%85~98) amorf yapıya sahip SiO 2 içermesinden ve çok ince taneli olmasından kaynaklanmaktadır. Yukarıda ifade edilen sebepler nedeniyle günümüzde süperakışkanlaştırıcılarla birlikte silis dumanı, yüksek mukavemetli ve performanslı 5

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN betonların elde edilmesinde vazgeçilmez unsurlardan olmuşlardır. Silis dumanının beton özellikleri üzerinde olan etkileri ile ilgili çalışmalar aşağıda sunulmuştur. 2.1.1. Silis Dumanı İçeren Betonun Özellikleri 2.1.1.1. İşlenebilme Kabiliyeti Silis dumanı katılan çimento hamurunda belirli bir kıvam için gerekli su ihtiyacı, yapışkanlık, viskozite, terleme ve özellikle agrega arayüzeyindeki iç yapı değişikliğe uğrar. Bu değişiklikler, taze ve sertleşmiş betonun birçok özelliğini de etkilemektedir. Çok ince ve yuvarlak silis dumanı taneleri daha iri çimento tanelerinin arasına girerek burada sıkışan suyu dışarı iterler ve taze hamurun kıvamı üzerinde etkili hale getirirler. Bu olumlu etkiye karşın silis dumanı tanelerinin oluşturduğu büyük yüzey alanı su ihtiyacını artıracak ve kıvamı olumsuz etkileyecektir. Dolayısı ile kıvam, hamurdaki çimento ve silis dumanı miktarları ile su/bağlayıcı malzeme orantısı gibi faktörlere bağlı olarak değişebilecektir. Araştırmalara göre çimentonun %5'i kadar katılan silis dumanı su ihtiyacını fazla değiştirmemekte, daha büyük miktarlarda ise su ihtiyacı artmaktadır. Benzer şekilde, çimentonun %7.5'dan fazlası yerine silis dumanı katıldığında hamurun akma sınırı ve viskositesinin arttığı, daha az miktarlarda ise azaldığı bulunmuştur (Ivanov ve Roshevelov, 1990). Khayat ve Aitcin (1992) ye göre, geleneksel betonlarda su azaltıcı katkılar olmadan %5 silis dumanı ilavesi su ihtiyacında artışa neden olmamaktadır. Süperakışkanlaştırıcısız yapılan bir betonda belirli bir slamp değeri için silis dumanının artması ile su ihtiyacı artmıştır. Yüksek oranlarda silis dumanı ve süperakışkanlaştırıcı ilavesinin su ihtiyacını azaltmakta olduğunu bunu da yüksek oranda kullanılan süperakışkanlaştırıcının silis dumanı ve çimento partüküllerini çok iyi yaymasına bağlayarak silis dumanının filler etkisine dikkat çekmişlerdir. 6

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN Öztok ve Yeğinobalı (1997), silis dumanının genelde betonun su ihtiyacını artırdığını, yüksek dayanımlı betonlarda, işlenebilirliğin iyi olması için silis dumanının curuf ve uçucu kül gibi bir bağlayıcı ve süperakışkanlaştırıcı ile birlikte kullanılmasının daha uygun olacağını bildirmişlerdir. Duval ve Kadri (1998), silis dumanının betonun işlenebilirliğine ve basınç mukavemetine etkisini iki değişik çimento kullanarak incelemişlerdir. Su/bağlayıcı oranını 0.25~0.45 arasında değiştirdikleri çalışmalarında, %10 ve daha düşük oranlarda silis dumanı kullanımının işlenebilirliğe olumlu etkisinin olduğunu, su/bağlayıcı oranının düşmesiyle silis dumanının işlenebilirlik üzerindeki bu etkisinin daha da belirgin hale geldiğini bildirmişlerdir. Karışımlarda kullanılan süperakışkanlaştırıcı miktarının ise çimentonun C 3 A ve alkali-sülfat içeriğine bağlı olarak değiştiğini bildirmişlerdir. Silis dumanlı beton, sadece portland çimentosu ile yapılmış olan betondan çok daha kohezifdir. Gerek yüksek kohezyondan ve gerekse ince katı taneciklerin arasında daha çok temas olmasından, silis dumanlı beton yapımında, katkısız betona göre 3-5 cm kadar daha yüksek bir çökme hedeflenmelidir (Jahren, 1983: Erdoğan, 2003). Mazloom ve ark. (2004), yüksek mukavemetli betonların kısa ve uzun vadedeki mekanik özelliklerini inceledikleri çalışmalarında sabit slamp (100+ 10 mm) değeri için yüksek oranlarda silis dumanı katılması durumunda betonun işlenebilirliğinin düştüğünü ve daha fazla süperakışkanlaştırıcı gerektiğini belirtmişlerdir. 2.1.1.2. Kanama, Terleme, Hava Sürükleme, Ayrışma Tachibana ve ark. (1990), 120 sn boyunca sarsma tablasında sarstıkları betonlardan, 230 mm slampa ve 0.25 su/(çimento+silis dumanı) oranındaki yüksek mukavemetli betonlarla, 85 mm slamp ve 0.55 su/çimento oranındaki silis dumanı içermeyen betonların segregasyona karşı benzer davranış sergilediklerini, uzun süreli vibrasyon sonucunda silis dumanı katılan betonların özellikle yüksek slamp değerlerinde segregasyon eğilimi gösterdiğini ifade etmişlerdir. 7

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN Berktay (1991), 2.Ulusal Beton Kongresinde, normal betonların tersine olarak çok yüksek performanslı betonların üst yüzeylerinde terleme görülmediğini, bu nedenle betonun erken kurumasına ve plastik rötre çatlaklarına engel olmak için özenli bakım gerektiğini raportör görüşü olarak sunmuştur. Khayat ve Aitcin (1992) ye göre, silis dumanı ilavesi ile taze betonun viskozite ve yapışkanlığı artmıştır. Böylece özellikle süperakışkanlaştırıcı ilave edildiğinde silis dumanı ilave edilen beton silis dumansız betonlara göre segregasyona daha az eğilim göstermiştir. Rols ve ark. (1999), kendiliğinden yerleşen beton özelliklerinin farklı viskozite ajanlarıyla etkileşimini inceledikleri çalışmalarında, bu tür betonların maliyetinin yüksek olduğunu bu yüzden çökeltilmiş silika ve nişasta gibi viskozite ajanlarının maliyeti düşürebileceğini, kullandıkları bu ajanların 5 saat sonra sınırlı kanama geliştirdiklerini ve segregasyona direnç göstererek mekanik performanslarınında, düşük çimento miktarı ve yüksek su-bağlayıcı oranına rağmen, oldukça yüksek olduğunu bildirmişlerdir. Silis dumanlı betonlarda kullanılan silis dumanı miktarı arttıkça, betonun belirli miktarda sürüklenmiş havaya sahip olabilmesi için, daha fazla miktarda hava sürükleyici katkıya ihtiyaç olmaktadır. Bu durum muhtemelen, silis dumanının çok ince taneli olmasından ve bir miktar karbon içermesinden kaynaklanmaktadır (Erdoğan, 2003) Silis dumanının çok ince taneli olması, taze betonun içerisindeki suyu daha iyi tutmasına ve bu nedenle betonun daha az terleme göstermesine yol açmaktadır. Terlemenin az olması, beton yüzeyinin düzeltilme işlemine daha erken başlanılmasına imkan vermektedir. Diğer yandan, terlemenin çok düşük olması nedeniyle plastik büzülme çatlakları daha kolay oluşabilmektedir (Erdoğan 2003). 2.1.1.3. Priz Süresi Temiz ve Yeğinobalı (1995), çimentoya %40 oranına kadar katılan uçucu küllerin priz sürelerini uzatırken, %8 oranına kadar kül yerine silis dumanı katılması 8

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN ile priz sürelerinde 25-30 dakikalık kısalmaların sağlanabildiğini, uçucu kül katkısının hamurlarda hacim genleşmesini biraz artırmakta, ancak silis dumanı ilavesi ile bu artışın biraz önlenebileceğini uçucu kül ve silis dumanı katkılı çimento hamur ve harçlar üzerine yaptıkları çalışmada belirtmişlerdir. Çimento ağırlığının %7~%10 u kadar silis dumanı katılarak yapılan betonların priz süreleri, katkısız betonlardan fazla farklılık göstermemektedir. Daha çok miktarda silis dumanı kullanıldığı takdirde, priz süresi biraz daha uzun olabilmektedir (Erdoğan, 2003). 2.1.1.4. Hidratasyon Isısı Silis dumanı katkısının hidratasyon ısısı üzerindeki etkisi çimentonun ne kadarı yerine katıldığına ve akışkanlaştırıcı kullanma durumlarına bağlı olarak değişebilmektedir. Silis dumanı katkısının betonda sadece hidratasyon ısısını azaltmak amacı ile kullanılması tavsiye edilmemektedir (Malhotra, 1993). Silis dumanı ve süperakışkanlaştırıcı betonun hidratasyonunu farklı şekilde etkilerler. Silis dumanı, çimento hidratasyonunu hızlandırırken, süperakışkanlaştırıcıların hidratasyonu geciktirdiği kaydedilmiştir. Süperakışkanlaştırıcı ve silis dumanının birlikte kullanılmasının hidratasyon yapma şekli henüz ciddi olarak tam araştırılmamıştır. Silis dumanı, trikalsiyum silikatın (C 3 S) hidratasyonunu hızlandırarak çimentonun ilk hidratasyonunu etkiler. Özellikle hidratasyon esnasında meydana gelen ilk ısı yayılmasından sorumludur (Roberto ve Kenneth, 1999 : Özbek, 2002). Araştırmacılar silis dumanı katkısının ilk 2-3 saat içinde hidratasyon ısısını artırdığını, ancak ileri yaşlarda eşit çimento dozajı bazında açığa çıkan ısıyı azalttığını belirtmektedirler. Başlangıçtaki ısı artışı silis dumanının çimento hidratasyonunu hızlandırması ile açıklanmaktadır (Bentur ve Goldman, 1989; Meland, 1983; Sellevold ve ark, 1982 : Yeğinobalı, 2002). Langan ve ark (2002) portland çimentosunun hidratasyon ısısına silis dumanı ve uçucu külün etkisini araştırmışlar ve yüksek su/bağlayıcı oranında silis dumanının 9

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN çimento hidratasyonunu hızlandırdığını, düşük su/bağlayıcı oranında ise yavaşlattığını bildirmişlerdir. Çimento ağırlığının %10 u kadar silis dumanı kullanılarak yapılan betonların ilk 72 saat içersindeki hidratasyon ısısı, silis dumanı kullanılmayan betonlardan daha fazla olabilmektedir. Ancak, silis dumanlı betonlarda, silis dumanı kullanılmayan betonlara göre yaklaşık %8~%10 kadar daha az hidratasyon ısısı çıkmaktadır (Erdoğan, 2003). 2.1.1.5. Basınç Dayanımı Araştırmacılar silis dumanı katkısının beton dayanımı üzerindeki olumlu etkisini daha ziyade agrega-hamur arayüzeyini kuvvetlendirmesine bağlamaktadırlar. Bazılarına göre çimentonun %15'i yerine katıldığında ortama her çimento tanesine karşın iki milyon silis dumanı tanesi girmektedir (Mindess, 1988; Detwiler, 1990; Cohen ve ark, 1990). İnce silis dumanı taneleri arayüzeydeki boşlukları doldurmakta, terleme azaldığı için agrega teneleri altında daha az su toplanmakta ve daha yapışkan hale gelen hamur ile agrega teneleri arasındaki fiziksel aderans artmaktadır. Turanlı (1995), mikrosilisin çimento üretiminde kullanılabilmesine yönelik yaptığı çalışmada, portland çimentosu klinkerine kütlece 5, 10, 15 ve 20 kısım mikrosilis ve %4 alçıtaşı ile çimento üreterek, mekanik ve fiziksel özelliklerini araştırmıştır. Mikrosilisin öğütülme aşamasında katılmasıyla elde edilen mikrosilisli çimentolar, mikrosilisin kullanım sırasında portland çimentosuna katılmasına göre daha düşük sonuçlar vermiştir. Erdoğdu, Kurbetci ve Doğan (1996), silis dumanının katkılı çimento ile kullanımı üzerine yaptıkları bir çalışmada, 28 günlük oranlara bakıldığında katkılı çimentonun dayanım oranlarının silis dumanının artışı ile lineere çok yakın bir artış gösterdiğini, portland çimentosunda ise %9 oranında silis dumanı katkısı ile yüksek dayanım oranı artışının sağlanmakta olduğunu, oranın %18 e çıkması durumunda dayanım oranındaki artışın çok düşük olduğunu hatta 400 dozda dayanım oranının artış göstermediğini belirtmişlerdir. 10

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN Silis dumanının değişik kür şartlarında çuruflu çimentoya katılmasının etkilerinin araştırıldığı bir çalışmada silis dumanının 5 0 C ve 22 0 C kür şartlarında mukavemeti arttırdığı, 39 0 C ve 52 0 C gibi yüksek sıcaklıklarda anlamlı bir katkısının olmadığı belirtilmiştir (Çark ve Sümer, 1996). Taşdemir (1996), mikrofiller malzemelerin betonun mekanik özelliklerine etkisini incelediği çalışmasında, kalker unu, karbon siyahı, silis unu, silis dumanı ve uçucu kül gibi beş ayrı mikrofiller malzeme kullanmıştır. Su-bağlayıcı oranını 0.40 olarak aldığı çalışmasında, silis dumanı katkılı betonlarda basınç dayanımının normal betonlara göre belirgin bir artış gösterdiğini, diğer mikrofiller malzemelerin basınç dayanımda belirgin bir değişiklik sağlamadığını bildirmiştir. Silis dumanı, betonun fiziksel ve reolojik özellikleriyle birlikte mekanik özelliklerinide etkilemektedir. Silis dumanı puzolanik aktivitesi nedeni ile serbest kireci bağlayarak silika jeli oluşturur. Agrega etrafındaki geçiş bölgesi kalınlığını azaltır. Çimento hamurunun yoğunluğunu artırır. Bunun sonucu olarak da dayanım artar. Ancak, süperakışkanlaştırıcı kullanılmaz ise istenen işlenebilmeyi sağlamak için su gereksinimi artacağından dayanımda bir miktar azalma olur. Bu nedenle, istenen beton özellikleri için optimum silis dumanı oranı, su-bağlayıcı oranı ve süperakışkanlaştırıcı katkı oranı ön deneylerle belirlenmelidir (Aköz ve Biricik, 1998). Bazı araştırmacılar betonlardaki mukavemet artışının büyük oranda yüksek kalitedeki bağlayıcı hamurunun yapısından kaynaklandığını rapor etmişlerdir. Cong ve ark (1992), çimento hamurlarına %18 e kadar silis dumanı ilave etmişler ve silis dumanıyla birlikte süperakışkanlaştırıcı kullanımının çimento hamurlarının mukavemetini arttırdığını bildirmişlerdir. Darwin ve ark (1988), çimentoya %15 silis dumanı ikamesinin hem çimento hamurlarının hem de harçların mukavemetini arttırdığını, ancak silis dumanının mukavemet kazandırma oranının harç numunelerde çimento hamurlarına göre daha fazla olduğunu bildirmişlerdir (Toutanji ve Bayasi, 1999). Chakraborty ve Dutta (2001), Hindistanda üretilen çimentoları kullanarak değişik kür sıcaklıklarında silis dumanı ile modifiye edilmiş harçlar üzerinde yaptıkları çalışmalarında, optimum silis dumanı ikame oranının %8~%12 arasında 11

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN değiştiğini, bu oranın ASTM Tip I çimentosuyla yapılan ikame oranlarında daha düşük olmasının nedenini ise Hindistanda üretilen çimentoların C 3 S içeriğinin düşük olmasına bağlı olduğunu ifade etmişlerdir. Yajun ve Cahyadi (2003), silis dumanı ilave edilmiş çimento pastalarının mikroyapısını ve mukavemetlerini araştırdıkları çalışmalarında silis dumanı ikamesi ile sertleşmiş çimento pastalarının hem mikroyapılarının iyileştiğini hemde mukavemetlerinin arttığını, silis dumanı partiküllerinin topaklanmasının 28 güne kadar olan basınç mukavemetlerinde etkili olmadığını bildirmişlerdir. Bhanja ve Sengupta (2003), değişik S/Ç oranlarında toplam 32 farklı karışım ile hazırladıkları betonlarda optimum silis dumanı miktarının bütün S/Ç oranlarında farklı olduğunu, mineral katkılı betonların basınç mukavemeti tahminlerinde geleneksel betonlarda kullanılan kanunların doğrudan uygulanamayacağını bunların modifiye edilmesinin gerektiğini belirtmişlerdir. Malhotra ve ark (1992), çimento ağırlığının %5~%15 i kadar silis dumanının kullanılmasıyla, su/(çimento+silis dumanı) oranı 0.60 olan betonlarda ilk üç gün içerisinde belirgin bir dayanım artışı olmadığını, fakat bu oranın 0.40 a indirilmesiyle, ilk günlerde de dayanım artışı elde edildiğini bildirmişlerdir. Bir başka araştırmada, 18 saatlik basınç dayanımı olarak 210~450 kgf/cm 2 gibi değerler elde edilmiştir (Erdoğan, 2003). Betonun 28 günlük dayanımını artırmayı amaçlayan çalışmalarda silis dumanının genellikle çimentonun %5-%20'si oranlarında betona katıldığı ve gerekli işlenebilmeyi sağlamak için %10'dan yukarı miktarların süperakışkanlaştırıcı katkılarla birlikte kullanıldığı görülmektedir. Yüksek dayanımlı betonlarda silis dumanı çimentonun ağırlıkça yaklaşık %15'i yerine katılmaktadır. Bu betonlarda çimento dozajını 400-500 kg/m 3 sınırının üstüne çıkarmak veya su/bağlayıcı orantısını 0.30'un altına indirmek gibi zorlamalar fazla yarar sağlamamaktadır (Yogendran ve ark. 1987; Goldman ve Bentur, 1989: Yeğinobalı, 2002). Silis dumanı katkısı yüksek dayanımlı hafif beton üretiminde de yararlı olmaktadır. Genleşmiş kil agregası kullanarak ve %20 silis dumanı ile birim ağırlığı 1,35 kg/m 3 'ü geçmeyen, basınç dayanımı 100 MPa'a ulaşan betonlar elde edilmiştir. Doğal hafif agregalarla yapılan bir çalışmada ise %15 silis dumanı katkısı ile birim 12

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN ağırlığı 2000 kg/m 3, basınç dayanımı 50 MPa civarında olan betonlar elde edilmiştir (Yeğinobalı, 2002). Rao ve Prasad (2002) silis dumanı ile ürettikleri yüksek mukavemetli beton kirişlerde çatlak oluşma davranışını ve enerjisini ölçmüşler ve basınç mukavemetinin artışı ile enerji miktarında da bir artış olduğunu, nisbeten daha gevrek çatlak oluşumu meydana geldiğini bildirmişlerdir. Alaettin ve ark. (2003), pomza agregası, uçucu kül ve silis dumanı kullanarak ürettikleri yüksek dayanımlı hafif betonlarda, silis dumanı ile hava kurusu birim ağırlığı 1800 kg/m 3 ve silindir basınç mukavemeti 40 MPa olan hafif beton üretiminin mümkün olduğunu ifade etmişlerdir. Mazloom ve ark (2004), yüksek mukavemetli betonların kısa ve uzun vadedeki mekanik özelliklerini inceledikleri çalışmalarında, su içerisinde kür ettikleri silis dumanlı betonlarda 90 günden sonra basınç mukavemetindeki artışın gözardı edilebileceğini vurgulamışlardır. 2.1.1.6. Aşınma Laplante ve ark (1991), su/bağlayıcı oranını 0.48 aldıkları karışımlara %8 oranında silis dumanı ilave etmişler ve hem silis dumanlı hemde konrol betonlarının aşınma mukavemetlerini ölçmüşlerdir. Granit ve kireçtaşı kullandıkları karışımlarda silis dumanının aşınma mukavemeti üzerinde etkili olduğunu ve bunun da kireçtaşı kullanılan karışımlarda daha belirgin olduğunu bildirmişlerdir. Ayrıca yazarlar düşük su/çimento oranının ve kullanılan agrega kalitesinin aşınma mukavemeti üzerinde %8 silis dumanı ikamesinden daha fazla etkili olduğunu bildirmişlerdir. Ekinci (1995) nin bildirdiğine göre, Holland ve ark (1986) aynı cins agrega üzerinde yaptıkları aşınma kaybı araştırmasında, su/bağlayıcı oranı 0.45 olan.kontrol betonu 72 saatlik aşınma uygulaması sonunda %6.9 aşınma kaybı göstermiştir. Aynı şartlarda olmak üzere, çimentonun %17.6 hacmi oranında silis dumanı ve su/bağlayıcı oranı 0.53 olan betonlarda %5 aşınma kaybı ve çimentonun %42.9 hacmi oranında silis dumanı ve su/bağlayıcı oranı 0.21 olan betonlarda da %2.2'lik. aşınma kaybı saptamışlardır. 13

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fatih ÖZCAN Beton yüzeylerinin servis koşulları altında bozulup çatlayarak parçalanması trafik yükleri altında veya akarsuların etkisi ile erozyon ve oyulma şeklinde meydana gelir. Silis dumanı katkısı gerek hamur gerekse hamur-agrega arayüzey dayanımlarını artırması nedeni ile betonun bu gibi yıpratıcı etkilere karşı direncini artırmaktadır. Böhme cihazı ile yapılan deneylerde çimentonun %10'u kadar katılan silis dumanı ile aşınma kaybının %40 mertebesinde azaltılabileceği bulunmuştur (Ekinci ve Yeğinobalı, 1995). 2.1.1.7. Rötre Collepardi ve ark. (1991) nın bildirdiklerine göre silis dumanı katkılı çimento karışımları katkısız olanlara göre daha yüksek rötre potansiyeli içerir. Karıştırma yönteminin silis dumanı katkılı betonlarda çatlak oluşması üzerine önemli etkisi olduğu deneylerde görülmüştür. Çimento ve silis dumanı normal biçimde suyla karıştırıldığında, kalıplanan ve nemli ortamda saklanan numunelerde ilk 24 saat içersinde bile çatlaklar oluşmuş, buna karşılık suyla silis dumanı önceden karıştırılarak elde edilen şerbete çimento katıldığında bu çatlaklara rastlanmamıştır. Böylece ön ıslatma yapılmadığı takdirde silis dumanının çimento şerbetinden su çekerek dahili kuruma rötresine ve dolayısı ile görünür çatlaklara neden olduğu düşünülebilir. Khayat ve Aitcin (1992) ye göre Johansen (1983), %0, 5, 10 ve 25 oranlarında silis dumanı ilaveli betonların kuruma rötrelerini incelemiş ve S/Ç oranı 0,60 dan küçük betonlarda önemli bir fark görememiştir. Bunun yanısıra %25 silis dumanı ilaveli betonlar silis dumanı katılmadan üretilenlere göre daha büyük kuruma rötresi değerleri vermiştir. Person (1998), yüksek mukavemetli betonların rötresi üzerine yaptığı nümerik ve deneysel çalışmasında 8 farklı beton karışımına değişik tip ve miktarlarda silis dumanı ilave etmiş, toplam rötrenin numune yaşı, su/bağlayıcı oranı ve silis dumanının tip ve miktarına bağlı olduğunu, silis dumanı ilavesi ile karbonatlaşma rötresinden kaçınılabileceğini belirtmiştir. 14