Uçucu Külün Silindir ile Sıkıştırılmış Betonun Basınç Dayanımına Etkisi

Uçucu Külün Silindir ile Sıkıştırılmış Betonun Basınç Dayanımına Etkisi Ali Mardani, Kambiz Ramyar Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Bornova/İzmir ali.mardani16@gmail.com, kambiz.ramyar@ege.edu.tr Öz Bu çalışmada uçucu külün silindir ile sıkıştırılmış betonun (SSB) basınç dayanımına etkisi incelenmiştir. Maksimum agrega çapı 25 mm olan, bağlayıcı olarak sadece portland çimentosu içeren kontrol örneğine ek olarak farklı oranlarda çimento veya agrega yerine uçucu kül içeren SSB ler zemin metoduna (Maksimum yoğunluk yöntemi) göre tasarlanmıştır. Üretilen SSB nin kontrol karışımının çimento dozajı 250 kg/m 3 olup, bir seri karışımda çimento yerine ağırlıkça %20, %40, %60 oranlarında, bir diğer seride ise ek bağlayıcı olarak agrega yerine çimento ağırlığınca %20, %40, %60 oranlarında uçucu kül kullanılmıştır. Dört farklı su/bağlayıcı oranında (0.30, 0.35, 0.40 ve 0.45) toplam 28 karışım hazırlanmıştır. Bu karışımlar arasından, optimum su muhtevasına sahip, 7 karışım seçilerek devamındaki deneylerde kullanılmıştır. Sonuç olarak çimento yerine uçucu kül kullanılan karışımlarda uçucu külün miktarı arttıkça 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımlarında azalmalar görülmüştür. Agrega yerine uçucu kül kullanılan karışımlarda ise uçucu külün miktarı arttıkça, kontrol karışımına kıyasla, 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımlarında artmalar gözlenmiştir. Anahtar sözcükler: silindirle sıkıştırılmış beton, uçucu kül, mekanik özellikler. Giriş Çimento, su, ince ve iri agregadan oluşan betonun bazı özelliklerini iyileştirmek ve ekonomiklik sağlamak için uçucu kül gibi çeşitli mineral katkılar kullanılmaktadır. Uçucu kül, elektrik üreten termik santrallerde toz haline gelmiş kömürün yakılması sonucu bir atık olarak elde edilmektedir. Uçucu kül, puzolanik özeliğinden dolayı son zamanlarda çimento ve betonda katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır (Atiş, 2001). Üretilen betonların kullanım amacına yönelik olarak tasarımının yapılması ve ekonomik olması önemlidir. SSB, son zamanlarda tüm dünyanın ilgisini çekmiş özel bir beton türüdür. Bu malzeme, sıfır çökme değerine sahip ve geleneksel beton ile benzer malzeme kullanılarak elde edilen bir betondur (Atiş, 2005). SSB karışımları zemin yaklaşımı veya beton yaklaşımı göz önüne alınarak tasarlanabilir. SSB, ekonomikliği, hidratasyon ısısının düşüklüğü, hızlı ve kolay inşa edilebilme imkanı sebebiyle beton ağırlık baraj gövdelerinde, havaalanı pist betonu olarak ve çeşitli yol kaplamalarında tercih edilen bir malzemedir. 1

SSB de çimento miktarı genellikle 100 200 kg/m 3, su miktarı 100 150 kg/m 3 ve hava boşluğu oranı ise %1 - %3 civarında olmaktadır. Bununla birlikte klasik betona göre SSB de daha iri tane çapına sahip agrega kullanılmaktadır. Kullanılan agreganın maksimum tane çapı 50 75 mm arasında değişmektedir. Kuru beton olarak hazırlanan malzeme yol, baraj, liman gibi imalat yapılacak yerlere damperli kamyonlarla taşınır. Greyder veya benzeri iş makinası ile tabakalar halinde serilir ve silindirlerle sıkıştırma işlemleri gerçekleştirilir. Taşınması, serilmesi ve sıkıştırılması çok basit ve pratik olduğundan, zaman ve maliyet açısından klasik betona göre çok daha ekonomiktir (Dunstan, 1989, Schrader, 1992). Literatürde uçucu kül içeren SSB karışımların mekanik özelliklerinin incelendiği çeşitli çalışmalar mevcuttur. Toplam bağlayıcı miktarının 300 kg/m 3 olarak sabit tutulduğu karışımlarda uçucu kül miktarları 60, 120 ve 180 kg/m 3 olarak seçilmiş, bu karışımlarda su/bağlayıcı oranları ise sırasıyla 0.41, 0.45 ve 0.49 olarak belirlenmiştir. Hem su/bağlayıcı oranında hem de uçucu kül miktarındaki artış neticesinde 7, 28 ve 90 günlük dayanımlarda düşüşler gözlenmiştir (Nipatsat ve Tangtermsirikul, 2000). 2008 yılında Ege Üniversitesi nde yapılmış olan bir çalışmada ise uçucu kül ikame oranının %20 den %60 a çıkması, 7, 28 ve 90 günlük basınç dayanımlarını sırasıyla %51, %34 ve %32 oranlarında düşürmüştür (Üte, 2008). Amaç Bu çalışmanın amacı, zemin yaklaşımı ile karışım oranları belirlenen ve farklı miktarlarda uçucu külün çimento veya agrega ile ikamesi ile hazırlanan SSB karışımlarının 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımının belirlenmesidir. Konu ve Kapsam Deneysel çalışmanın kapsamını iki aşamada özetlemek mümkündür. 1. Optimum su muhtevası içeren karışımların belirlenmesi: Sadece portland çimentosu ile üretilen kontrol karışımı, üç farklı oranda çimento yerine uçucu kül içeren SSB ler ve yine üç farklı oranda agrega yerine uçucu kül içeren SSB lerin optimum su muhtevalarının belirlenmesi için bu karışımlar farklı su/bağlayıcı oranlarında hazırlanmıştır. Hazırlanan toplam 28 karışımdan optimum su muhtevasını sağlayan kontrol karışımı ile farklı oranlarda uçucu kül içeren 7 adet karışım seçilmiştir. 2. Basınç dayanımın belirlenmesi: Seçilen 7 adet SSB karışımının 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımı tespit edilmıitir. Deneysel Çalışma Bu bölümde, deneysel çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal bileşimi ve fiziksel özellikleri ile beton karışımlarında kullanılan malzeme miktarları verilmektedir. 2

Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri Bu çalışmada TS EN 197 1 Çimento- Bölüm 1: Genel Çimentolar- Bileşim, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri standardına uygun bir tip CEM I 42.5 R çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun özgül ağırlığı 3.13 olup İzmir Çimentaş firmasında üretilmiştir. Kullanılan uçucu kül ise Soma Termik Santralinden temin edilmiş olup özgül ağırlığı 2.28 olarak belirlenmiştir. Çimentonun ve uçucu külün üretici firma tarafından verilen kimyasal kompozisyonu Çizelge 1 de, mekanik ve fiziksel özelikleri ise Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 1. Kullanılan Çimentonun ve Uçucu Külün Kimyasal Bileşimi. Yüzde İçerik (%) Çimento Uçucu kul SiO 2 18.53 49.70 Al 2 O 3 5.01 17.01 Fe 2 O 3 2.74 8.87 CaO 63.51 10.88 MgO 1.06 5.95 Na 2 O 0.40 1.66 K 2 O 0.75 1.30 SO 3 3.14 2.52 Cl 0.004 0.37 Çizelge 2. Kullanılan Çimentonun ve Uçucu Külün Fiziksel ve Mekanik Özelikleri. Basınç Dayanımı (MPa) Dayanım Aktivite İndeksi (%) İncelik Çimento Uçucu Kül 2 günlük 24.3-7 günlük 39.9-28 günlük 47.0 7 günlük - 81 28 günlük - 87 Özgül Yüzey (cm 2 /g) 3880 4040 0.090 mm elekte kalıntı (%) 1.0 5.3 0.032 mm elekte kalıntı (%) 22.4 16.5 Deneylerde kullanılan agregaların özgül ağırlığı ve su emme kapasitesi, TS EN 1097-6 Agregaların Mekanik ve Fiziksel Özellikleri için Deneyler Bölüm 6: Tane Yoğunluğu ve Su Emme Oranının Tayini standardına göre belirlenmiştir. 0 5 mm, 5 15 mm ve 15 25 mm boy sınıflarında olan agregaların DYK özgül ağırlığı sırasıyla 2.6, 2.65 ve 2.67 ve gevşek yığın yoğunluğu ise, sırasıyla 1740, 1505 ve 1480 kg/m 3 olarak belirlenmiştir. En büyük tane boyutu 25 mm olan agregaların elek analizi sonucu dikkate alınarak beton karışımlarında kullanılan oranları %60 0-5 mm, %20 5-15 mm ve %20 15-25 mm olarak belirlenmiştir. Agrega karışımının gradasyonu ve ilgili standart sınırları Şekil 1 de verilmiştir. 3

Şekil 1. Beton Karışımında Kullanılan Agreganın Gradasyonu. Optimum Su Muhtevasının Belirlenmesi Deneysel çalışmada kullanılan karışımlar zemin metoduna göre tasarlanmıştır (ACI 207.5R.89,1992). Üretilen kontrol karışımının çimento dozajı 250 kg/m 3 olup, bir seri karışımda çimento yerine ağırlıkça %20, %40, %60 oranlarında, bir diğer seride ise ek bağlayıcı olarak agrega yerine çimento ağırlığınca %20, %40, %60 oranlarında uçucu kül kullanılmıştır. Böylece 0.30, 0.35, 0.40 ve 0.45 olarak seçilen su/bağlayıcı (S/B) oranları da dikkate alındığında toplam 28 karışım hazırlanmıştır. Bu amaçla hazılanan karışımlar 150x300 mm silindir kalıplara üç ayrı tabaka halinde yerleştirilmiştir. Her tabaka ASTM C 1435 SSB lerin Titreşim ile Sıkıştırma Yöntemi prosedürüne göre titreşimli tokmak ve çelik bastırma plakası kullanılarak en çok 20 saniye sıkıştırılmıştır. Kalıbın iç yüzeyi ile çelik bastırma plakası arasında çimento hamuru görüldüğünde sıkıştırma durdurulmuştur. En üst tabakada sıkıştırma esnasında, sıkışmış malzeme ile silindir kalıp arasında kot farkının oluşmasını önlemek için Şekil 2 de gösterilen ilave halka kullanılmış, her tabakanın sıkıştırılması esnasında titreşimli tokmağın uyguladığı yükün homojen dağılabilmesi ve pürüzsüz bir yüzey elde edilebilmesi için 5 kg ağırlığında çelik bastırma plakası kullanılmıştır. Şekil 2. İlave halka ve çelik bastırma plakası 4

Optimum su muhtevasının belirlenmesi için standart şekilde sıkıştırılan ve örneklenen 600 g beton numunesi 105 o C etüvde değişmez ağırlığa ulaşana dek kurutulup kuru ağırlığı elde edilmiştir. Su muhtevası Denklem [1] e göre hesaplanmıştır. m ı slak mkuru w 100 [1] mkuru Burada, m ıslak : ıslak beton örneğinin kütlesi (600 g), m kuru : değişmez kütleye ulaşan beton örneği (g), w : Su muhtevası (%) dır. Sıkıştırılarak yerleştirilen beton numunesi ıslak olarak tartılıp (m) kapladığı kabın hacmine (v) bölünerek ıslak birim hacim ağırlığı Denklem [2] ye göre hesaplanmıştır. m v kuru [2] 1 w Burada, : numunenin kuru birim hacim ağırlığıdır. kuru Her karışım için su muhtevası-kuru birim hacim ağırlığı grafikleri çizilmiştir. Eldeki dört noktadan geçen en uygun eğri belirlenerek maksimum kuru birim hacim ağırlığa denk gelen optimum su miktarları tespit edilmiştir. Birinci seri karışımda (Seri A) bağlayıcı miktarı 250 kg/m 3 sabit olacak şekilde sırasıyla çimentonun kütlece %20, %40 ve %60 ı yerine uçucu kül kullanılmıştır. Su/bağlayıcı oranları 0.30, 0.35, 0.40 ve 0.45 olan bu karışımlarında optimum su muhtevaları yukarıdaki gibi belirlenmiştir. İkinci seri karışımda (Seri B) çimento miktarı 250 kg/m 3 sabit olacak şekilde agrega yerine sırasıyla kütlece çimento ağırlığının %20, %40 ve %60 ı oranlarında uçucu kül kullanılmıştır. Benzer su/bağlayıcı oranlarına sahip bu karışımların da aynı şekilde optimum su muhtevaları hesaplanmıştır. Seri A ve Seri B de hazırlanan toplam 28 karışımdan optimum su muhtevasına sahip 7 karışım seçilmiştir. Örnek olarak kontrol karışımına ve çimento yerine %20 uçucu kül içeren karışıma ait olan optimum su muhtevası (%)-kuru birim hacim ağırlık (kg/m 3 ) grafikleri Şekil 3 te gösterilmiştir. Diğer karışımlar için de benzer grafik çizilmiştir. Her grafikte maksimum kuru birim ağırlığına denk gelen optimum su muhtevası o karışım için su/bağlayıcı oranı seçiminde kullanılmıştır. Grafikten elde edilen sonuçlar Çizelge 3 te verilmiştir. Çizelgedeki sonuçlar incelendiğinde, uçucu kül miktarındaki artışın optimum su muhtevasını artırdığı, maksimum kuru birim hacim ağırlığı ise düşürdüğü görülmektedir. Uçucu kül miktarı arttıkça, karışımdaki ince malzeme oranı artmakta, dolayısıyla su ihtiyacı ve optimum su muhtevası da artmaktadır. Çimento ve kullanılan agregaların birim hacim ağırlıkları uçucu külden fazla olduğundan, uçucu kül miktarı arttıkça karışımın maksimum kuru birim hacim ağırlığı azalmıştır. 5

Şekil 3. Kontrol karışımına ve %20 çimento yerine uçucu kül kullanılan karışıma ait optimum su muhtevası maksimum kuru birim ağırlık ilişkisi. Çizelge 3. Karışımlara ait su muhtevası, birim hacim ağırlık ve su/ bağlayıcı oranı. SSB karışım adı Optimum su muhtevası (%) Maksimum kuru birim ağırlık (kg/m 3 ) S/B oranı 1 m 3 SSB için karışım suyu miktarı (kg) K Kontrol 4.58 2232 0.39 97.5 A1* 80 PÇ + 20 UK 4.78 2205 0.40 100 A2 60 PÇ + 40 UK 5.60 2129 0.42 105 A3 40 PÇ +60 UK 6.10 2078 0.46 115 B1 * 100 PÇ + 20 UK 4.90 2228 0.41 123 B2 100 PÇ + 40 UK 5.74 2125 0.43 150.5 B3 100 PÇ + 60 UK 6.16 2056 0.47 188 * A serisinde uçucu kül çimento yerine, B serisinde ise agrega yerine kullanılmıştır. Silindirle Sıkıştırılmış Beton Karışımların Hazırlanması Çalışmada üretilen betonların 1 m 3 ü için gerekli malzeme miktarları Çizelge 4 te gösterilmiştir. Çizelge 4. 1 m 3 SSB üretiminde kullanılan malzeme miktarları. Karışım Çimento Uçucu DYK Agrega Su Su/bağlayıcı (kg) kül (kg) 0-5 mm (kg) 5-15 mm (kg) 15-25 mm (kg) (kg) oranı K 250 0 1263 429 432 97.5 0.39 A1 200 50 1248 424 427 100 0.40 A2 150 100 1235 419 422 105 0.43 A3 100 150 1209 410 413 115 0.46 B1 250 50 1185 402 405 123 0.41 B2 250 100 1107 376 379 150.5 0.43 B3 250 150 1020 346 349 188 0.47 6

Basınç dayanımının belirlenmesi için 7 karışımdan 12 şer adet olmak üzere toplam 84 adet 150 mm ayrıtlı küp numune hazırlanmıştır. İki katmanda sıkıştırılan numuneler standart bakım sonunda 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımı deneyine tabi tutulmuştur. Her karışımdan her yaşta 3 er adet numune üzerinde TS EN 12390 3 Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri- Bölüm 3: Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini standardına göre basınç deneyi yapılmıştır. Sonuçlar ve Tartışmalar 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanım sonuçları Çizelge 5, Şekil 4 ve 5 te sunulmuştur. Karışım No 7 günlük basınç dayanımları Çizelge 5. Basınç dayanımları (MPa). 28 günlük basınç dayanımları 90 günlük basınç dayanımları 180 günlük basınç dayanımları K 33.8 41.0 54.0 58.4 A1 29.1 38.9 48.1 51.2 A2 21.8 35.6 42.2 44.1 A3 17.7 31.8 39.5 40.6 B1 36.2 44.4 55.2 59.4 B2 37.3 46.6 60.6 64.3 B3 39.3 49.5 64.6 67.7 Şekil 4. A serisi için basınç dayanımlarının karşılaştırılması. 7

Şekil 5. B serisi için basınç dayanımlarının karşılaştırılması. 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımları birbiriyle kıyasladığında, 90 ile 180 gün arasındaki dayanım artışının, 28 ile 90 gün arasındaki artışa nazaran daha az olduğu göze çarpmaktadır (Şekil 4 ve 5). 180 günlük dayanımlar %100 kabul edilerek çizilen bağıl basınç dayanımı grafikleri ise Şekil 6 da ve Şekil 7 de sunulmuştur. Şekil 6. A serisi için bağıl basınç dayanımları (%). Şekil 7. B serisi için bağıl basınç dayanımları (%). 8

Her yaşta tüm seriler arasında minimum basınç dayanımı sonuçlarının A3 karışımına ait olduğu görülmektedir. Bu karışımda %60 uçucu kül, çimento yerine ikame edildiğinden, özellikle 7 günlük numunelerde bu düşüş çarpıcı bir miktarda görülmektedir. Kontrol karışımının 7 günlük basınç dayanımı, A3 karışımınınkinin yaklaşık 2 katı olarak tespit edilmiştir. Bu durum, uçucu külün çimentoya kıyasla daha ileri yaşlarda dayanıma katkı sağlayabildiğini göstermektedir (Çizelge 5). Diğer karışımlarda da uçucu külün miktarı arttıkça 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımlarında azalmalar görülmüştür. Dayanımlardaki azalma, betonun çimento içeriğindeki azalmadan ve uçucu külün incelenen sürede çimento kadar dayanıma katkı sağlayamamasından kaynaklanmıştır. Ancak uçucu külün puzolanik reaksiyonu ileri zamanlarda başladığından dolayı zamanla kontrol numunesi ve uçucu kül içeren numuneler arasındaki dayanım farkı azalmıştır. Agrega yerine uçucu kül kullanılan karışımlarda ise uçucu külün miktarı arttıkça, kontrol karışımına kıyasla, 7, 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımlarında artmalar gözlenmiştir. Tüm yaşlarda maksimum basınç dayanımı sonuçlarının B3 karışımına ait olduğu görülmektedir. Bu karışımda ek bağlayıcı olarak agrega yerine çimento ağırlığının %60 ı oranında uçucu kül kullanılmış ve bağlayıcı miktarı 250 kg/m 3 ten 400 kg/m 3 e çıkarılmıştır. Bu durum B3 karışımının su ihtiyacını arttırmış, kontrol karışımının S/B oranı 0.39 iken B3 karışımında bu oran 0.47 ye yükselmiştir. B3 karışımının S/B oranının kontrol numunesininkinden fazla olmasına rağmen daha yüksek mukavemet göstermesi, B3 karışımın sıkıştırılabilirliğinin daha iyi olmasıyla açıklanabilir. Ayrıca mineral katkı içeren karışımlarda S/B oranının dayanım için sağlıklı bir gösterge olmadığı düşünülebilir. Kontrol karışımının ve %20 oranında uçucu kül içeren A1 ve B1 karışımlarının basınç dayanımları karşılaştırdığında, uçucu kül ikamesinin kontrol karışımına kıyasla dayanımda %2-14 arasında azalmaya, uçucu kül ilavesinin ise dayanımda %2-8 arasında artışa neden olduğu ifade edilebilir. Bununla birlikte %60 oranında uçucu kül ikamesi, kontrol karışımına kıyasla dayanımı farklı yaşlarda %22-48 aralığında azaltmış, %60 oranında uçucu kül ilavesi ise dayanımı farklı yaşlarda %16-20 aralığında arttırmıştır. Sonuçlar - Uçucu kül miktarındaki artışın optimum su muhtevasını arttırdığı, maksimum kuru birim hacim ağırlığı ise azalttığı tespit edilmiştir. - %60 oranında uçucu kül ikamesi özellikle 7 günlük basınç dayanımı sonuçlarını ciddi derecede olumsuz etkilemiştir. Bu karışım, 7 günlük sürede 28 günlük dayanımının ancak %55.6 sını kazanabilmiştir. 28 günden sonraki dayanım kazanma oranları ise, uçucu kül ikame edilen diğer iki karışımınkine benzer çıkmıştır. - Çimento yerine uçucu kül kullanılan karışımlarda uçucu külün miktarı arttıkça incelenen tüm yaşlarda basınç dayanımlarında kontrol karışımına kıyasla azalmalar görülmüştür. 9

- Agrega yerine uçucu kül kullanılan karışımlarda ise uçucu külün miktarı arttıkça, incelenen tüm yaşlarda basınç dayanımlarında kontrol karışımına kıyasla artış gözlemlenmiştir. Kaynaklar ACI 207.5R-99 (1988) Roller-Compacted Mass Concrete, Reported by ACI Committee 207. ASTM C 1435 / C1435M - 08 Standard Practice for Molding Roller-Compacted Concrete in Cylinder Molds Using a Vibrating Hammer, ASTM International. Atiş, C.D. (2001) Uçucu Kül İçeren Silindirle Sıkıştırılabilen Betonların Özellikleri, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 25, 503-515. Atiş, C.D. (2005) Strength Properties of High-Volume Fly Ash Roller Compacted and Workable Concrete and Influence of Curing Condition, Cement and Concrete Research, 35, pp.1112 1121. Dunstan, M,R,H., (1989) Recent Developments in Roller-Compacted Concrete Dam Construction, Water Power and Dam Construction Handbook. Nipatsat, N. and Tangtermsirikul, S., (2000) Compressive Strength Prediction Model for Fly Ash Concrete, ThammasaInt. J. Sc. Tech.,5(1). Schrader, E.K. (1992) Roller Compacted Concrete for Dams: The state of the Art, Advances in Concrete Technology ( Ed.V.M. Malhorta), pp. 361-406, Canmet. TS EN 197-1 (2010) Genel Çimentolar-Bölüm 1: Genel Çimentolar - Bileşim, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. TS EN 1097-6 (2007) Agregaların Mekanik ve Fiziksel Özellikleri İçin Deneyler Bölüm 6: Tane Yoğunluğu ve Su Emme Oranının Tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. TS EN 12390 3 (2010) Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri- Bölüm 3: Deney Numunelerinde Basınç Dayanımının Tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. Üte, A.A. (2008) Uçucu Kül ve Polipropilen Lif Kullanımının Silindirle Sıkıştırılmış Betonun Özelliklerine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı. 10