3. KURAMSAL TEMELLER
3.1. Yangının Betonarme Elemanlara Etkileri
3.1.3. Yangının betonun fiziksel ve termomekaniksel özelliklerine etkileri
cüruf ve genleştirilmiş kil ürünleri gibi hafif agregaların yangın dirençleri yüksektir (Gülce, 2009).
Agregalardaki fiziko-kimyasal değişimler agregaların mineral yapılarına göre farklılık göstermektedir. Bu nedenle betonun yüksek sıcaklıklardaki termal davranışlarını belirlemekte agrega seçimi çok önemli bir rol oynamaktadır (Xing et al, 2015).
Doğal agregaların yüksek sıcaklıklarda mekanik özellikleri değişmemelidir.
Öncelikle basınç dayanımlarında azalma olmamalıdır ve hacim artışı meydana gelmemelidir. Agregalar belirlenen bir sıcaklığa kadar termal olarak stabil olmalı, kütle kaybına uğramamalı ve dayanım kaybı ihmal edilebilir düzeyde olmalıdır.
Bazalt, diyabaz ve andezit bu tariflere en uygun doğal kayalardır. Silisli agregalar ve granit ise en az uygun olan kayalardır. Yüksek sıcaklık etkisinde silisli agregalarda yüksek oranda çatlaklar, granitte ise çok fazla büzülmeler meydana gelir. Kireç taşı ise şaşırtıcı bir biçimde yüksek sıcaklık etkisi için uygun bir kayaçtır. Bunun nedeni kireç taşında meydana gelen değişimler için 500°C’nin üzerinde sıcaklıklar gereklidir ve bu durum ince bir tabakayı etkiler, bu durum iç kısmın çok iyi bir biçimde korunmasını sağlar (Bodnarova et al., 2013).
kullanılarak yapılmış betonun birim hacim ağırlığı oda sıcaklığında 2,5 g/cm3 iken 800°C sıcaklığa maruz kaldığında birim hacim ağırlığında %8’lik bir düşüş meydana gelerek 2,3 g/cm3 olmaktadır. Silis esaslı agregalar kullanılarak yapılmış betonlar yine 800°C sıcaklığa maruz kaldığında birim hacim ağırlıkta meydana gelen azalma
%9 oranında olmaktadır. Yine aynı sıcaklık değerine maruz bırakılmış genleştirilmiş şist ile üretilen betonlarda birim hacim ağrılıkta meydana gelen azalma %5-6 mertebesinde olmaktadır. Ponza, kil, şist gibi hafif agregalı betonlarda meydana gelen sıcaklığa bağlı ağırlık kayıplarının daha az olmasının sebebi bu agrega çeşitlerinin termal kararlılıklarının daha yüksek olmasıdır (Uçarkoşar, 2013).
3.1.3.2. Porozitede meydana gelen değişimler
Beton yüksek sıcaklığa maruz kaldığında betonun katı fazlarını meydana getiren çimento hamuru ve agrega ısınır ve betonun boşluk yapısında değişimler meydana gelir. Sertleşmiş betonda 20-200ºC arası sıcaklıklarda beton genleşir ve böylece porozitede artış meydana gelir. Porozitede ki esas artış ise 500ºC sıcaklığa kadar kapiler ve jel suyunun buharlaşmasıyla meydana gelir (Kızılkanat, 2010).
Yüksek dayanımlı betonlarda sıcaklık artışına bağlı olarak porozitenin artışı normal betonlara kıyasla daha az olmaktadır. Bunun temel nedeni yüksek dayanımlı betonun sahip olduğu yoğun ve az boşluklu yapısıyla alakalıdır (Uçarkoşar, 2013).
3.1.3.3. Özgül ısıda meydana gelen değişimler
Bir cismin birim kütlesinin sıcaklığını 1ºC arttırmak için gerekli olan enerjiye özgül ısı denir. Ortam sıcaklığındaki normal betonun özgül ısısı 0,50 ile 1,13 kJ/kgK (0,12-0,27 cal/gºC) arasında değişir. Normal sıcaklıklarda kullanılan agrega türü, karışım oranı ve yaşı betonun özgül ısısını önemli ölçüde etkilemez. Özgül ısıyı etkileyen en önemli parametre betonun nem muhtevasıdır (Kızılkanat, 2010). Özgül ısıda ki ilk artışın nedeni beton içindeki serbest suyun buharlaşmasıdır, ikinci yükselişinin nedeni ise çimento pastası içindeki bağ suyunun kaybedilmesiyle oluşur.
150- 500°C arasında ki sıcaklıklarda ısının çoğu suyun uzaklaştırılmasına harcanır yalnızca küçük bir kısım ısı sıcaklığın yükselmesini sağlar. Bu yüzden ısı kapasitesi bu sıcaklık değerleri arasında çok hızlı bir şekilde yükselir. 600°C’nin üstü
35
sıcaklıklarda karbonat esaslı agrega içeren betonların ısı kapasitesi silis esaslı agrega içeren betonlara göre daha yüksektir. 600°C’den sonra karbonat esaslı agrega içeren betonun sıcaklığını yükseltmek için çok büyük ısı değerine ihtiyaç duyulur. Bu sıcaklık değerinden sonra karbonat esaslı agrega içeren betonun sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı silis esaslı agrega içeren betonun sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı değerinden 10 kat daha fazladır. Öz ısının artması karbonat içindeki dolomitin çözülmesine neden olur ve bu betonda parça atmayı zorlaştırır (Kodur and Sultan, 2003).
3.1.3.4. Isıl iletkenlikte meydana gelen değişimler
Yüksek sıcaklıklarda betonun ısıl iletkenliği agrega tipine ve nem muhtevasına bağlıdır (Kızılkanat et al., 2013). Çimento hamurunun ısı iletim katsayısı 1,1 W/mK ile 1,6 W/mK arasında değişir. Bu değer birçok agrega türünün ısı iletiminden daha düşüktür. Bundan dolayı betonda kullanılan agrega hacmi arttıkça ısı iletimi artar. Agregalar betonun büyük bir hacmini oluşturduğundan (%60-80 civarı) betonun ısıl iletkenliği büyük ölçüde agreganın yapısına bağlıdır.
Agregaların mineral yapıları betonun ısıl iletkenliğini büyük ölçüde etkiler. Bazalt ve dolerit düşük ısıl iletkenliğe, kireçtaşı ve granit orta dereceli ısıl iletkenliğe ve kuvarzit ve kum taşı yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir. Agrega olarak kullanılan kayaların ısıl iletkenlikleri genelde 1 ile 9 W/mK arasındadır. Oda sıcaklığında silis esaslı agregalar ile yapılan betonların ısıl iletkenliği kalker esaslı agregalar ile yapılan betonların ısıl iletkenliğinden fazladır. Nem muhtevası ve boşluk oranı da ısıl iletkenliği etkileyen unsurlardır (Xing et al , 2015)
Betonun ısıl iletkenliği betonun su kaybetmesi ve betondaki iletkenlik bağlantılarının hidratların parçalanmasına bağlı olarak azalması nedeniyle düşer.
Ayrıca harç ile agregalar arası yüzeylerde çatlakların oluşması ve agregalardaki taneler arası bağların bozulması ısıl iletkenliğin azalmasına neden olur. Oda sıcaklığında malzemenin kristallik derecesi arttıkça ısıl iletkenliği de artar. Fakat sıcaklık arttıkça kristallik derecesi yüksek olan malzemelerde kristallik derecesi düşük olana göre termal iletkenlikteki azalış daha fazla olur. Tüm bunlara ek olarak agregalar yapılarına bağlı olarak ısıyı emdikçe farklı reaksiyonlara uğrayabilirler ve bu durum betonun ısıl iletkenliğini değiştirebilir. Agregalar için temel olarak iki
36
temel endotermik dönüşüm vardır. Bunlar kuvarsın kristal yapısında 573°C’de meydana gelen α-β dönüşümü ve kalsiyum karbonatın 600°C’de kireç ve karbondioksite parçalanmasıdır. Agregaların yüksek sıcaklıklarda uğradığı bu değişimler beton termal özelliklerini değiştirmekte buna bağlı olarak da betonun ısıl iletkenliği değişmektedir. Bu nedenle yüksek sıcaklıklarda betonun termal özelliklerini belirlemede agrega seçimi oldukça önemlidir (Xing et al., 2015).
Kuvarsit, kum taşı ve diğer kuvars kayalar yüksek ısıl iletkenliğe sahip kayalardır; granit, gnays, kireç taşı ve dolomit orta derecede ısıl iletkenliğe sahiptir;
bazalt ve dolorit ise düşük ısıl iletkenlik gösterirler. Kayaların ısıl iletkenliği yalnızca kimyasal yapılarıyla alakalı bir durum değildir, ayrıca sahip oldukları kristal yapıları da ısıl iletkenliklerini etkiler. Aynı kimyasal yapıdaki kayalardan kristal yapılı olanlar, amorf yapılı ve vitröz yapılı olanlara göre daha yüksek ısıl iletkenliğe sahiptirler. Isıl iletkenlik büyük ölçüde agregaların mineralojik yapısından etkilenmektedir. Öyle ki agrega tipi betonun ısıl iletkenliğini iki kat arttırabilir.
Çizelge 3.1.’de bazı agrega çeşitleriyle üretilmiş betonların ısıl iletim katsayıları verilmiştir. Isıl iletkenlik ayrıca nem muhtevası ile de alakalıdır. Nemli durumda ki bir betonun ısıl iletkenliği kuru haline göre %70 daha fazladır (Khan, 2002).
Çizelge 3. 1. Agrega türüne göre ısı iletim katsayısı (Kızılkant, 2010) Agrega türü Isı iletim katsayısı, (W/mK)
Silisli kayaçlar (quartz) 2,4-3,6
Kristal yapılı volkanik (granit, gnays), Tortul kayaçlar (kalker, dolomit)
1.9-2.8
Amorf yapılı volkanik (bazalt, dolorit) 1.0-1.6
3.1.3.5. Renkte meydana gelen değişimler
Renk, kaynağından çıkan ışığın cisimlerin yüzeyinden yansıyarak göze ulaşması sonucu burada ağtabakada oluşturduğu etkinin beyin tarafından algılanmasıyla oluşan fiziksel bir özelliktir (Kızılkanat, 2010). Yüksek sıcaklığa maruz kalmış betonda meydana gelen tahribat ilk önce genellikle betonda meydana gelen renk değişimi, yüzeydeki çatlaklara ve parçalanmalara bakılarak
37
değerlendirilir. Betonda yüksek sıcaklık sonrası oluşan renk betonun ilk haliyle kıyaslandığında ulaşılan sıcaklık değeri hakkında fikir verebilmektedir. Özellikle silisli agregalarla hazırlanan betonlarda bu renk değişimi daha belirgin bir şekilde gözlemlenebilir. 300°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda silisli agregalarla hazırlanmış betonun rengi normalden pembeye döner. 300-600°C arasında beton rengi kırmızımsı gri bir hal alır. 900-1000°C’de ise beton devetüyü rengine döner (Georgali and Tsakiridis, 2005).
3.1.3.6. Isıl genleşmede meydana gelen değişimler
Agregalar betonun %80’ini oluşturmaktadırlar ve bu nedenle betonun termal özellikleri üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Yapılan bazı çalışmalar göstermektedir ki betonun ısıl genleşmesi büyük ölçüde kullanılan agrega tipine bağlıdır. Mıcırların ısıl genleşme sabiti kireç taşına kıyasla daha yüksek olduğundan mıcırla yapılan betonların termal kararlılıkları kireç taşlı betonlara göre daha düşüktür (Laneyrie et al., 2016). Agregalar tüm katı maddeler gibi sıcaklık artışıyla beraber genişler. Bu nedenle agregaların ısıl genleşmeleri yüksek sıcaklık etkisini etkilemektedir. Agregaların termal genleşmeleri mineralojik yapılarına bağlıdır ve bu değer tüm mineraller için farklıdır. Çizelge 3.2.’de değişik tür agregalara ait ısıl genleşme katsayıları verilmiştir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı betonlar için uygun olan agregalar düşük ısıl genleşmeye sahip olmalı ve yüksek sıcaklıktan sonra dayanım kaybı ihmal edilebilir düzeyde olmalıdır. Silis esaslı agregalarla yapılmış yüksek dayanımlı betonlarda termal genleşme 700°C’ye kadar artış gösterir sonrasında ise sabit kalır. Silis esaslı agrega içeren yüksek dayanımlı betonlarda 550°C’de termal genleşmede artış olur bu durum kuvarsın değişimine bağlanabilir ve bu durum parça atmaya neden olabilir. Karbonat esaslı agrega ile üretilmiş yüksek dayanımlı betonlarda ısıl genleşme 500°C’den sonra hızlı bir şekilde artar. Bu durum dolomitin ayrışmasından kaynaklanmaktadır. 800°C sıcaklıktan sonra yüksek dayanımlı betonlarda ısıl genleşme düşüşe geçer. Bunun nedeni ise meydana gelen dehidratasyonlar ve büzülmelerdir (Kodur and Sultan, 2003).
38
Çizelge 3. 2. Değişik tür agregalarla yapılmış betonların ısıl genleşmesi (Neville, 2011)
Agrega Tipi Havada Kür
Edilmiş Suda Kür Edilmiş Havada Kür
Edilmiş Islak Durumda
Çakıl 13,1*10-6 12.2*10-6 11.7*10-6
Granit 9,5*10-6 8,6*10-6 7,7*10-6
Kuvarsit 12,8*10-6 12,2*10-6 11,7*10-6
Diyabaz 9,5*10-6 8,5*10-6 7,9*10-6
Kum Taşı 11,7*10-6 10,1*10-6 8,6*10-6
Kireç Taşı 7,4*10-6 6,1*10-6 5,9*10-6
Portland Taşı 7,4*10-6 6,1*10-6 6,5*10-6
Yüksek Fırın Cürufu 10,6*10-6 9,2*10-6 8,8*10-6 Genleştirilmiş Cüruf 2,1*10-6 9,2*10-6 8,5*10-6