Üzerinde Meydana Gelecek Hasarları Kendiliğinden İyileştirme Kabiliyetine Sahip Yeni Nesil Esnek Beton Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN İleri İnşaat Mühendisliği Malzeme Araştırma Laboratuvarı Advanced Civil Engineering Materials Research Laboratory (ACE-MRL) Yapılar Kaliteli Yaşamı Destekler mi? İleri Yapı Malzemeleri Araştırma Laboratuvarı İnşaat Mühendisliği Bölümü Gaziantep Üniversitesi 2 1
Hayatımızda Beton Beton dünyada en yaygın biçimde kullanılan yapı malzemesidir. Dünya çapında yıllık üretim miktarı yaklaşık 13 milyar ton seviyelerindedir. İnsanoğlu sadece suyu betondan daha yüksek oranda tüketmektedir. Neden Beton? Yapımı kolay Su, çimento, kum, çakıl. Kolay şekil verilebilir Akıcı, püskürtülebilir. Güvenli Yangına ve depreme dayanım. Tarihsel olarak kanıtlanmış 100 yılı aşkın servis ömrü. Ekonomik 4 2
Beton Yapılardaki Problemler 1. Aşırı yüklemeler altında güvenlik eksikliği 2. Uzun süreli kullanımda dürabilite (çevresel etkilere karşı dayanıklılık) eksikliği 3. Sürdürülebilirlik açısından zayıf oluşu beton yapıların çevreye olumsuz etkileri Aşırı Yüklemeler Sonucu Yıkılmalar Kocaeli Gölcük Depremi, 1999 Murray Binası, Oklahoma, 1995 Çınar Emniyet Müdürlüğü, Diyarbakır, 2016 6 3
Betonun Dürabilite Açısından Zayıflığı Mevcut betonarme yapıların hasarlarının bakım/onarım masrafı sadece Avrupa ve A.B.D de > 2 triyon dolar Sürdürülebilir Kalkınma Nedir? Sürdürülebilir kalkınma, gelecek nesillerin ihtiyaçlarının karşılanmasına ve kalkınmasına imkan verecek şekilde bugünün ve geleceğin yaşamını ve kalkınmasını programlama United Nations World Commission on the Economy and the Environment, 1987 4
Beton Yapıların Çevreye Olumsuz Etkileri Dünyada ki çimento üretimi toplam CO 2 salınımının %7 sini oluşturmaktadır. 1 ton çimento üretimi için yakıt hariç 1.7 ton hammadde gerekmektedir Beton içeriğinin yaklaşık %75 ini agregalar oluşturmaktadır, bu agregaların temini doğada kalıcı izler bırakmaktadır. Çimento ve beton üretimi, genel ekonomiye oranla 10 kat daha çok enerji tüketmektedir Sera gazı salınımı İleri Yapı Malzemeleri Araştırma Laboratuvarı İnşaat Mühendisliği Bölümü Gaziantep Üniversitesi Agrega ocağı Doğada bıraktığı kalıcı izler Çimento Üretimi Kireçtaşı Madeni Atıkların İşlenmesi Çimento Fabrikası Maden Ocağı Atık kaya alanı http://www.cement.org.au/photographs/photographs.cfm 5
Çimento Üretimi Beton Daha Dayanıklı ve Sürdürülebilir Olabilir mi? Betonarme elemanların dürabilite zayıflıkları Geçirimsiz Çatlakların yok edilmesi Enerji tüketimi ve çevreye etkileri Endüstriyel atıklar (uçucu kül, cüruf ) Servis ömrünün arttırılması Aşırı yüklemelere karşı dayanımı Yüksek süneklik Yüksek dayanım 6
Beton Daha Dayanıklı ve Sürdürülebilir Olabilir mi? Evet! Zorluk 100+ yrs Çok Tabanlı Tasarım Yaklaşımı İle Geliştirilen Tasarlanmış Çözüm Yüksek Performanslı Çimento Esaslı Kompozitler (ECC) 13 Çok Tabanlı Tasarım Yaklaşımı Mikro-yapısal Tasarım Sabit ve Kararlı Durum Çatlak Analizleri Çatlak Boyunca Agreganın/ Liflerin Köprüleme Özelliği Şekil Değiştirme Sertleşmesi Gösteren Kompozit Mikro-mekanik arayüz Matris, Lif, Arayüz = 0 100 m 7
. 6.2.2017 Mikro-mekanik Tabanlı Tasarım Dayanım Kriteri 1. Enerji Kriteri 2. Lif, Arayüz Matris Çatlak Köprüleme Dayanımı cu Tamamlayıcı Enerji p Çatlak Açıklığı Matris kırılma tokluğunu asgariye indirme (K m ) Lif tamamlayıcı enerjiyi en yüksek düzeye çıkarma 15 Griffith Tipi Çatlak Griffith Çatlak & Düz Çatlak Şekil değiştirme yumuşaması Normal Lif Donatılı Beton Kırılmış veya yumuşamış yaylar Gerçek Çatlak 20 mm Kararlı Durum Düz Çatlak ss ECC 16 Hasar Şekil değiştirme sertleşmesi 8
ECC Avantajları Çekme yükleri altındaki performanslar ECC Normal Lif Donatılı Beton Beton Eksenel Çekme Yüklemesi Altında ECC 6 Gerilme Çatlak Genişliği 100 90 Gerilme (MPa) 5 4 3 2 1 REC(Oil1.2%) Vf=2.0% w/c=0.45 s/c=1.2 SP=3.0% 28 Gün 0 0 1 2 3 4 Birim Deformasyon (%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Çatlak Genişliği ( m) Mikro-çatlak hasar 18 9
Mikro Ölçekte Tasarlanmış Yüksek Performanslı SHCC nin Avantajları Gevrek Sünek İleri Yapı Malzemeleri Araştırma Laboratuvarı İnşaat Mühendisliği Bölümü Gazi Üniversitesi ECC Üretiminde Başarılı Olarak Kullanılan Lifler 10
Bağlayıcı Malzeme Tipinin Lif Yüzey Özelliklerine Etkisi 10-100 nm 50 m Kaplamasız 1.2% su itici yağ kaplamalı Portland Çimentosu 21 Çok Tabanlı Tasarım Yaklaşımı Mikro-yapısal Tasarım Şekil Değiştirme Sertleşmesi Gösteren Kompozit Mikro-yapısal Kontrol Sabit ve Kararlı Durum Çatlak Analizleri Çatlak Boyunca Agreganın/ Liflerin Köprüleme Özelliği Mikro-mekanik Matris, Lif, Arayüz arayüz Mikro-yapı = 0 100 m 11
Bağlayıcı Malzeme Tipinin Lif Yüzey Özelliklerine Etkisi 23 ECC Bağlayıcı Malzeme Uçucu kül 24 12
ECC Bağlayıcı Malzeme Öğütülmüş yüksek fırın cürufu 25 Bağlayıcı Malzeme Tipinin Arayüz Özelliklerine Etkisi Düşük karbonlu C: 3.75 wt% O: 31.73 Mg: 2.00 Al: 5.67 Si: 12.10 Ca: 44.74 Yüksek karbonlu C: 9.11 wt% O: 30.96 Mg: 1.35 Al: 5.01 Si: 11.23 Ca: 42.34 26 13
Farklı Bağlayıcı Malzeme Tiplerinin Çekme Yüklemeleri Sonucu Oluşan Çatlak Dağılım ve Boyutlarına Etkisi ECC Üretiminde Kullanılabilecek Lifler 14
Mikro-Mekanik Olarak Tasarlanmış ECC in Taze Özellikleri 99 cm 100 cm Geleneksel Beton Kendiliğinden yerleşen/sıkışan Mimari Faktör Geleneksel Beton Kendiliğinden Yerleşen ECC ECC - Fiziksel Özellikleri Özellikler Geleneksel Beton ECC Boyutsal uyumluluk Geleneksel betonla çok uyumlu Şekil değiştirmesi kapasitesi 0.01% - 0.02% ~ 5% (yaklaşık 500 kat daha sünek) Eğilmede çekme dayanımı (MPa) 5-8 10-14 (en az iki kat daha dayanıklı) Basınç Dayanımı (MPa) 30-60 60-150 (üç kata kadar daha dayanıklı) Kısıtlanmış rötre çatlak genişliği 1 mm 0.03 mm Geçirimlilik (m/s) 1.7 x 10-5 2.5 x10-10 (çok düşük geçirimlilik) Dona karşı dayanım En az hava sürüklenmiş beton kadar Yorulma mukavemeti Geleneksel betona oranla onlarca kat daha iyi Çatlama/Tabakalanma Korozya dayanım Darbe dayanımı Gevrek Zayıf Zayıf Sünek Üst Düzey Üst Düzey Çevreye duyarlılık - Çimentonun %80 e, kumun %50 e varan miktarının yerine endüstriyel atıkların kullanımı 30 15
Hızlandırılmış Donatı Korozyonu Geleneksel beton ve ECC numunelerinin korozyon testi sonucu görünüşleri 31 Geleneksel beton 90 saat sonunda ECC 300 saat sonunda Yeni Nesil Yüksek Performanslı Çimento Esaslı Kompozitlerde Hasarların Kendiliğinden İyileşme Kabiliyetleri 16
Canlılardan Kendiliğinden İyileşme Referans Yaralanmadan 3 saat sonra Yaralanmadan 24 saat sonra Yaralanmadan 72 saat sonra http://www.mdbiosciences.com Neden Kendiliğinden İyileşme? Gevrek betonun yetersiz performansı Çatlaklardan dolayı düşük dürabilite Mekanik yüklemelerden dolayı çatlamalar Çevresel yüklemelerden dolayı çatlamalar Yapıların kötüleşen mekanik performanslarından dolayı işlevsel önemlerini kaybetme Hizmet ömrünün kısalması 34 17
Betonda Kendiliğinden İyileşme Yöntemleri Kapsülleme ile kendiliğinden iyileşme Kapsüllenmiş pasif kendiliğinden iyileşme maddelerinin beton matrise dahil edilmesi İçi boş cam küreler Cam tüpler Çatlama sonucunda çatlakların iyileşebilmesi için pasif maddenin açığa çıkması Kendi kendini iyileştiren Rutubetin varlığıyla çatlaklarda otomatik kendiliğinden iyileşme bileşenlerinin oluşumunun teşvik edilmesi Çimento esaslı matrisin yapısında var olan kimyasal bileşenlerin sağladığı kendiliğinden iyileşme malzemeleri 35 Kapsüllenme ile Kendiliğinden İyileşme I. Çatlağın life yaklaşması (kırmızı mürekkep ile dolu) II. Çatlak ucunun lifi kırması III. Kırmızı mürekkebin çatlağı doldurması (iyileşmeyi simule etmek) 36 18
Kendi Kendini İyileştirme Mekanizması Yüksek ph seviyesinde, kalsiyum ve CO 2 varlığında, su ve betonun etkileşimi pasif kendiliğinden iyileşmeyi sağlar. Hava = CO 2 Beton CO 2 H 2 CO 3 Çatlak Sur CO 3 2- CO 2-3 + Ca 2+ CaCO 3 Ca 2+ Su Beton Çatlak C. Edvardsen (1999) CO 3 2- + Ca 2+ CaCO 3 37 ECC da Kendiliğinden İyileşme Stratejileri Mekanik Dayanım Süneklik Rijitlik Dayanıklılık (Dürabilite) Çatlakların kapanması Geçirimlilik özelliklerin iyileşmesi 19
ECC de Kendiliğinden İyileşme Kendiliğinden iyileşmeden önce Kendiliğinden iyileşmeden sonra 3 mm 3 mm ~ 60 m = 1.5% CaCO 3 oluşumu Mekanik Yükler veya Çevresel Etkiler Sonucu Oluşan Çatlakların Kendiliğinden İyileşmesi İyileşmeden Önce İyileşmeden Sonra Çatlak Yüzeyleri Çatlak Yüzeyleri 20 m Kendiliğinden İyileşme Ürünleri 20 m 20
Geçirimlilik Özelliklerinin İyileşmesi Geçirimlilik, k (m/sec) Geçirimlilik & Çatlak Genişliği Beton ECC Çatlak Genişliği ( m) 3 mm İyileşmeden önce 20 m Geçirimlilik & Yaş İyileşmeden sonra Geçirimlilik, k (m/sec) Yaş (gün) 3 mm 20 m Mekanik Özelliklerin İyileşmesi (Eksenel Çekme) İyileşmiş İyileşmemiş Dokunulmamış 21
Mikro-yapısal Gözlemler Çekme Özelliklerin Tamamen İyileştirilmesi Kendiliğinden iyileşmeden önce Kendiliğinden iyileşmeden sonra 22
Mikro-yapısal Gözlemler Kendiliğinden iyileşmiş çatlaklar 1 mm Tekrar yükleme sonucunda iyileşmiş çatlakların tekrar açılması 1 mm İyileşmiş çatlağın yanında tekrar yükleme sonucu yeni çatlak oluşumu 45 1 mm Mikro-yapısal Gözlemler 46 23
Sonuçlar Çok Fonksiyonlu Beton Çok yüksek sünekliliğe sahip ECC, önemli altyapıların daha güvenli, dayanıklı ve sürdürülebilir olmasına katkıda bulunacaktır. Deprem kuşağında olan ülkemizdeki yeni yapılacak olan veya depreme karşı güçlendirilecek olan yapılar için geleneksel beton kullanımına göre daha ekonomik ve teknik açılardan önemli avantajlar elde edilecektir. Mikro-mekanik tasarım yöntemleri, ECC tasarımlarında kullanılan güçlü bir araçtır. Fakat bu tasarım yöntemi mikro-yapısal ve reolojik kontrol çalışmaları ile birlikte dikkate alınarak çok daha yüksek performanslı kompozitler daha ekonomik ve dayanıklı bir şekilde geliştirilebilir. Geliştirilen bu çimento esaslı kompozit, kendiliğinden iyileşme yeteneği sayesinde çatlaksız, ve dayanıklı ve sünek yapısı ile karayolu ve havalimalarının rijit üstyapı kaplamalarında başarılı biçimde kullanılabilecektir. Uygulama çalışmalarında da bu tür kompozitlerin tam ölçekli yapı uygulamaları için de uygun olduğu ispatlanmıştır. Teşekkürler İleri Yapı Malzemeleri Araştırma Laboratuvarı İnşaat Mühendisliği Bölümü Gazi Üniversitesi 24