1.GİRİŞ 1.1. Yapı Malzemesinin Önemi İnsanoğlunun temel ihtiyaçlarından olan barınma, çalışma, ibadet, eğlenme ve diğer faliyetlerinin karşılanması amacıyla geçici veya kalıcı, yer altı veya yer üstünde inşa edilen her türlü (bina, fabrika, cami, baraj, yol, santral v.b.) yapının yapımında kullanılan malzemelere denir. Yapı daha genel bir ifade olup, kule baraj, yol, köprü, tünel, hidroelektrik santralleri, temiz ve atık su santralleri ve benzeri tüm alanları kapsamaktadır. Bina denildiğinde; konut, fabrika (iş yeri), hastehane ve okul türü yapılar anlaşılmaktadır. Bu yapıların bünyesinde yer alan ve inşaatında kullanılan yapı malzemelerini seçerken belirli standartlara uyulma zorunluğu vardır. Teknik elemanlar, günümüzde giderek çeşitlenen ve artarak yaygınlaşan endüstriyel yapı malzemelerinin özelliklerini iyi bilmesi, yapılan işe uygun malzeme seçimini yapması ve uygulamadaki kontrollerin en iyi şekilde yapması; hem yapı maliyetini azaltmakta ve hemde yapı ömrünü arttırarak uzun zaman kullanılabilme imkanı sağlamaktadır. Herhangi bir yapının projelendirmesi ve inşaatı aşamasında, inşaat mühendisinin görevi ve amacı, aşağıda belirtilen üç koşulu bir arada gerçekleştirmektir: a) Yapı istenilen işlevi yapabilmelidir, b) Yapı değişik dış etkilere süresiz dayanıklı olmalıdır, c) Yapı güzel ve ekonomik olmalıdır. Bu koşulların yerine getirilmesinde malzeme özellikleri önemli yer tutar. Malzemenin özelliklerini bilmeden yukarıdaki koşulların sağlanabilmesi olanaksızdır. Yapı malzemelerinin fiziksel, mekanik ve kimyasal özelliklerini, üretim şekillerini, kullanım sırasındaki davranışlarını, amaca uygun malzeme seçimini ve geliştirilmesini araştıran ve öğreten bilim alanına Yapı Malzemesi bilim dalı adı verilir. Malzeme seçiminde emniyet (dayanım ve dayanıklılık), ekonomi ve estetik gibi üç unsura dikkat edilmelidir. Bununla birlikte, malzemenin yapıdaki hizmet süresi içerisindeki davranışınında
bilinmesi gerekir. Bu süre içerisinde malzemenin bulunduğu ortamdaki çevre şartlarının barındırdığı zararlı gaz ve sıvı hareketleri malzemenin menfi yönde etkilenerek davranışının değişmesine yol açabilir. Örneğin; bir yol kaplamasının çok soğuk ortamlarda donma çözülme gibi fiziksel etkenlerle veya çevreden sızarak gelen zararlı atık suların yol üst yapısında oluşturacağı etkilerden dolayı bozularak işlevini kaybetmesi. Bir diğer örnek olarak, işlevi geçirimsizlik olan su deposu veya bir barajda kullanılacak malzemelrinin bu özelliğinin yüksek olması, zamanla azalma göstermemesi istenir. Yapı malzemelerinin gelişimi insanlık tarihi kadar eskidir. İlk insanlar malzemeleri doğadaki şekilleri ile olduğu gibi kullanmışlardır. Ağaç dalları ve çamurdan yapılan barınaklar, taş yığınlarından oluşturulan yapıtlar bunlara en iyi örneklerdir, ikinci aşamada insanlar basit araç ve gereçlerle malzemeleri şekillendirerek kullanmışlardır. Üçüncü aşama ise doğadaki malzemelerin fiziksel ve kimyasal değişikliklere uğratılarak kullanıldığı devirdir, örneğin, bu devirde madenler eritilerek metaller, metal eriyikleri karıştırılarak alaşımlar, killer şekillendirilip, pişirilerek tuğla vb. üretilmiştir. Dördüncü aşamada insanlar doğada bulunmayan yapay malzemeleri (plastik, betonarme vb.) üretmişlerdir. Önceleri uygulama tecrübesine dayanan pratik ve teorik kavramlardan oluşan malzeme bilgisi, günümüzde araştırma ve uzmanlaşma alanı genişlemiş ve deneylere dayanan bir bilim dalı olmuştur. Yapı malzemelerini iyi bir şekilde öğrenmek mühendis ve mimara bir çok açıdan yarar sağlar. Malzemelerin özelliklerini iyi bilen, yeni gelişmeleri takip eden bir yapımcı, istenen amaca uygun malzemeyi en akılcı bir şekilde seçer veya üretir. Yapıda malzeme, projeyi şekillendirerek onun uzun ömürlü olmasını sağlayan, üretim teknolojisi, yapı ekonomisi, yapı fiziği ve insan konforu ile yakından ilişkili bir öğe olmuştur.
Bir yapının anıt sayılabilmesi, onun gelecek kuşaklara iletilmesini sağlamakla olanaklıdır. Ayrıca, bir yapı, ekonomi açısından da maliyetini belli bir süreç içinde karşılamak durumundadır. Genelde tasarımcının ana düşüncelerinden biri yapının mümkün olduğu kadar uzun ömürlü olmasını sağlamaktır. Bir yapının ömrü yalnızca projesinin iyi olmasına ve işçiliğine bağlı değildir. En önemli faktör yapıda kullanılacak olan malzemelerin iyi seçilmesi, denetlenmesi, iyi işçilikle yerine konması ve bakımıdır. Malzemenin az veya çok bakım gerektirmesi özellikle yapının ömrü boyunca işletme giderlerini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, ucuz bir malzeme, belirli bir süre sonra sürekli bakım veya yenileme gerektirebileceğinden, ilk fiyatı daha fazla olan bir malzemeye kıyasla ekonomik olmayabilir. Genelde bir yapının inşaat bedelinin yaklaşık % 65-75'ini malzeme giderleri oluşturur. Bu oran malzeme biliminin önemini ortaya koyar. Maliyetin % 5'ini teknik eleman ve geri kalanını işçilik giderleri oluşturur. Bitmiş bir yapının kalitesini, yani servis ömrü boyunca güvenliğini belirleyen dört ana unsur; 1. PROJE KALİTESİ Zemin özellikleri dikkate alınmış, mimari, statik ve betonarme olarak standartlara, yönetmeliklere, şartnamelere, meslek kurallarına uygun güvenilir proje. 2. MALZEME KALİTESİ Projede öngörülen özelliklere sahip, o özellikleri inşaatın başından sonuna kadar koruyan, standartlara, yönetmeliklere ve şartnamelere uygun malzeme. 3. İŞÇİLİK KALİTESİ İnşaat süresince kullanılan malzemelerin projeye, fen ve meslek kurallarına uygun biçimde, bilinçli ve bilgili işçilikle uygulanması. 4. DENETİM KALİTESİ Yukarıdaki amaçların tümünün sürekli ve etkin biçimde denetlenmesi, kalitenin güvence altına alınması ve dökümante edilmesi. Yaşadığımız Marmara ve Düzce Depremleri göstermiştir ki hasar gören ve göçen yapılarımızda yukarıdaki unsurların en az birinde, çoğu birden fazlasında bilgisizliğimiz, bilinçsizliğimiz, ihmalimiz, kusurumuz vardır.
Teknik elemanların amacı yaptıkları işe en uygun malzemeyi seçmek, seçtiği malzemeyi standartlara uygun olarak kullanmak, böylece yapıların kullanırlığına huzurlu ve konforlu bir ortam hazırlamaktadır. Malzeme özellikleri bilinmeden, değişik malzemelerin özellikleri karşılaştırılmadan amaca uygun malzemenin seçilmesi elbette zor olacaktır. Bir yapının maliyeti sadece ilk yapım maliyeti olarak düşünülmemelidir. Çünkü; yapı ömrü süresince uygun malzeme kullanılmadığında, sonradan yapılacak masraflar yapı maliyetine eklendiğinde daha pahalıya mal olacaktır. Yapılarda kaliteli malzeme kullanımı yanında kaliteli işçilikte çok önemlidir. En iyi malzeme dahi, iyi bir ustaya yaptırılmazsa, alınacak sonuç olumsuz olacaktır. Bu sebeple yapım işlerinde çalışacak ustaların ve kalfaların sertifikalı ve yetişmiş elemanlardan seçilmesi en az malzeme seçimi kadar önemlidir. Günümüzde, gelişen yapı fiziği kavramı açısından; malzemenin yapı içinde veya dışında oluşan fiziksel ortamın koşullarından hareketle malzeme seçimine gidilmesi gerekir. Ancak bu seçim, yapı sağlığının yanı sıra, yapının içinde yaşayan İnsanların konforunu da sağlayacak biçimlerde yapılmalıdır. Aksi halde, yapı bitmiş olsa bile bu gereksinimi kendini gösterip, yapı değişimlere uğrayacaktır. Yapı malzemesi bugün için sürekli yeni ürünlerin ortaya çıktığı, çok hızlı gelişen bir bilim dalıdır. Bir malzemenin farklı şekillerde, değişik boyut ve biçimlerde üretilmesi, denetimi ve kullanımı sırasında önemli sorunlar ortaya çıkabilir. Bir malzemenin üretim ve uygulama koşullarının çağdaş, sağlıklı ve ekonomik olabilmesi için bazı kural ve yöntemler standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri başlığı altında toplanmıştır. Genel anlamda standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri, malzeme seçimi ve kullanımı, planlama gücü, kalite güvenliği ve ekonomi açısından büyük olanaklar yaratmaktadır. Ayrıca, standardizasyon ve kalite kontrol yöntemleri malzemenin kalitesi konusunda kuramsal ve matematiksel kavramlar getirmektedir.
Sağlam, güvenilir, sağlıklı, güzel, fonksiyonel, bol ve ucuz malzemeler üretilmesi için bir çok ülkede çeşitli araştırmalar yapılmakta, standartlar ve yönetmelikler çıkarılmaktadır. Gerçekte standartlaşma kavramı ilk çağlardan beri insanlar tarafından bilinmektedir. Örneğin, insanlar kendi aralarında anlaşabilmek için ortaya bir dil koymuşlar, uzaklık, zaman ve ağırlıkları ölçmek için çeşitli birimler, yöntemler getirmişlerdir. Ancak düzenli standardizasyon çalışmaları 20. yüzyılda başlamıştır. 1930 yılında Zürih konferansından sonra bütün dünyada standartlaşmaya gidilmiştir, örneğin, ülkemizde 1954'de kurulan Türk Standartları Enstitüsü yapı malzemeleriyle ilgili olarak bir çok standart çıkarmıştır. Dünya'da DİN Alman, AFNOR Fransız, ASTM Amerikan, BS İngiliz, JIS Japon standartları birçok ülke tarafından kabul görür. Ayrıca ACI (Amerikan Beton Enstitüsü) gibi belirli bir malzemeye yönelik olarak çalışan kuruluşların çıkardığı yayınlar ve standartlar da vardır. Avrupa Birliği ülkelerinin standartlarının birleştirilmesi amacıyla son yıllarda büyük çabalar sarf edilmektedir. Ülkemizde de birçok Türk Standardı bu amaçla değiştirilmektedir. Örneğin, yeni hazırlanan TS EN 206 beton standardı CEN (Avrupa Beton Komitesi) tarafından hazırlanan AB standardına uygundur. Standartlarda basitleştirilme (çeşit azaltılması), birleştirme (boyutların uyumu), kalite belirtilmesi ve kontrolü özellikleri vardır. Bu kavramlar yapıya, ucuzluk, sürat, sağlamlık ve pazarlama kolaylığı getirir. Ancak standartlar ve onlara uygun hazırlanan teknik şartnamelerin hükümleri bilimsel gerçekler değildir. Nitekim bunlar da uygulamadaki gelişmeler ve araştırmalar doğrultusunda sık sık revize edilirler. Bu nedenle akılcı bir yaklaşımla, kuşkulu noktalarda kararlarımızı standartlara körü körüne uymak yerine bilimsel gerçeklerin ışığı altında vermemiz gerekir. Başarılı mühendis, sürekli olarak gelişmeleri takip eden, soran, araştıran, doğruyu bulduktan sonra uygulayan kişidir. 1.2. Yapı Malzemelerinin Sınıflandırılması
Malzemelerin özellikleri, kimyasal yapılarına ve onları oluşturan atom ve moleküllerin yapısal düzenlerine bağlıdır. Bu yapısal oluşumlarda değişik üretim yöntemleri ile değiştirilebilmektedir. Örneğin, aynı kimyasal yapıya sahip malzemelerin çok farklı özellikleri olabilmektedir. Sonuçta ortaya sayılan gün geçtikçe artan çok sayıda malzeme çıkmaktadır. Ancak yapı malzemelerini aşağıda belirtildiği gibi çeşitli şekillerde sınıflandırmak olanaklıdır: a) Kullanış yer ve amacına göre gruplandırma I - Taşıyıcı malzemeler Bu gruba giren yapı malzemeleri, yapıyı ayakta tutan, yükleri karşılayan, yapının iskeletini oluşturan beton, çelik, betonarme, ahşap gibi mekanik özellikleri yüksek olan malzemelerdir. II - Detay malzemeleri Bu malzemeler yapılarda belirli işlevleri olan ve dekoratif amaçlarla kullanılan cilalı taş, boya gibi malzemelerdir. III - Koruyucu malzemeler Yapıyı olumsuz dış etkilerden koruyan, cam pamuğu, perlit, bitümlü malzemeler gibi ısı, ses ve su izolasyon malzemeleri bu gruba girerler. Bazı malzemeler ise çok amaçlı olarak kullanıldığı için, bu gruplama kesinlik taşımaz. Örneğin, boya malzemesi hem detay hem de izolasyon amaçlıdır. b) Şekil değişimine göre gruplandırma Taşıyıcı olarak kullanılan malzemeleri yük altında şekil değişimine göre üç gruba ayırmak mümkündür: I - Elastik Malzemeler Yük etkisi altında şekil değiştirip, yük kalkınca yeniden ilk şekline dönen malzemelere elastik malzemeler denir. Elastik davranışı en iyi simgeleyen eleman yaydır. Lastik ve kauçuk elastik malzemelere örnek olarak
verilebilir. II - Plastik Malzemeler Yük etkisi altında şekil değiştirip, yük kalkınca yeniden ilk şekline dönmeyen, kalıcı şekil değişimi bırakan malzemelere plastik malzemeler denir. Bu davranışa en iyi örnek kildir. III - Elasto-plastik malzemeler Bu tip malzemeler yükün mertebesine bağlı olarak hem elastik, hem de plastik davranış gösterirler. Çelik gibi bir çok yapı malzemesi bu tip davranış gösterirler. c) Bünye bakımından gruplandırılma Malzemeleri fiziksel ve kimyasal yapıları açısından ayrı ayrı gruplandırmak olanaklıdır. Fiziksel özellikleri açısından malzemeler homojen, heterojen, izotrop ve anizotrop malzemeler şeklinde gruplandırılabilir. Kimyasal açıdan ise malzemeler metalik (kristal), amorf, bileşik, kolloidal ve seramik yapı şeklinde sınıflandırılabilir. Ayrıca, malzemeler iç yapı oluşumlarına göre kalsiyum, silisyum kökenli inorganik malzemeler (doğal - yapay taşlar, cam, metaller, vb.) ile karbon, hidrojen ve azot kökenli organik malzemeler (ahşap, plastik, bitümlü malzemeler) şeklinde iki gruba ayrılabilir. Yukarıda anlatılan iç yapı şekilleri evrende rastlanan bütün cisimleri kapsamaz. Örneğin deri gibi organik cisimlerin iç yapıları çok karmaşıktır. 1.3. Yapı Malzemelerinin Değişik Özellikleri ve Deneyleri Yapı malzemelerinin değişik özellikleri vardır. Bunları genel olarak; mekanik, fiziksel, kimyasal, fiziko-kimyasal, termal, elektriksel, akustik ve optik şeklinde gruplamak olanaklıdır. Bu özelliklerin doğru olarak belirlenmesi, söz konusu malzemenin yapıda bilinçli kullanımına yol açar.
Malzemenin doğru seçimi ve kullanılması yapının işlevsele estetik, ekonomik ve kalıcı olmasını sağlar. Malzemelerin bazı özellikleri diğer özellikleri ile ilişkilidir, örneğin, fiziksel özellikler, mekanik özellikleri doğrudan etkiler. Bazı özellikler malzemenin yapıdaki fonksiyonuna göre ön plana çıkar. Örneğin, taşıyıcı malzemeler için mekanik özellikler bilinmesi zorunlu değerlerdir. Malzemeler hakkında elde edilen bilgiler, çoğunlukla gözlem, deneyler ve bir çok araştırıcının analitik becerileri sayesinde ortaya çıkmıştır. Malzemelerin özellikleri farklı deney yöntemleri ile belirlenir. Değişik amaçlı deneyler olduğu gibi, deney şekli ve detayları da sonuçları etkileyebilmektedir. Farklı amaçlı deneyler aşağıdaki gibi gruplandırılabilir: - Kalite kontrol deneyleri: Belirli malzemelerin standart veya şartnamelerde belirtilen özellikleri sağlayıp sağlamadığı kontrol edilir. Bu deneyler laboratuar veya üretim yerinde yapılabilir. - Kıyaslama deneyleri: Belirli ortamlarda kullanılacak farklı malzemeleri aynı koşullarda kıyaslamalı olarak denemek suretiyle uygun malzeme seçimi amacıyla yapılır. - Araştırma-geliştirme deneyleri: Bu tip deneyler daha sofistike olup, yeni malzemelerin geliştirilmesine veya bilinen malzemelerin bazı özelliklerinin düzeltilmesine yöneliktir.