Geçirimli Betonların Permeabilite Ölçümleri Üzerine Deneysel Bir Çalışma

2nd _{InternaƟ onal Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2017)} Çukurova University, Congress Center, October 25-27, 2017, Adana / TURKEY Pages: 1701-1707, Paper ID:756

(*) Corresponding author

Geçirimli Betonların Permeabilite Ölçümleri Üzerine

Deneysel Bir Çalışma

Ahmet Akkaya

_{, İsmail Hakkı Çağatay}

Özet

Geçirimli betonlar boşluklu yapısı sayesinde olumlu özellikleri olan yapı malzemeleridir. Kullanım amaçları göz önünde bulundurulduğunda geçirimlilik özellikleri oldukça önem arz etmektedir. Bu çalışmada farklı agrega boyutlarında ve agrega/bağlayıcı oranlarında üretilen geçirimli betonlara ait permeabilite katsayılarının ölçüm yöntemlerine ve karışım türlerine göre değişimleri incelenmiştir. Sonuçta permeabilite katsayılarının aynı agrega türünde agrega/bağlayıcı oranı azaldıkça azaldığı bulunmuştur. Ayrıca, düşen seviyeli ölçüm yöntemi kullanıldığında, her karışım türünde sabit seviyeli ölçüm yönteminden daha yüksek permeabilite katsayısı elde edildiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Permeabilite katsayısı, Geçirimli beton, Porozite, Permeabilite

An Experimental Study on Permeability Measurements of Pervious Concrete

Abstract

Pervious concrete is a building material with positive properties through its porous structure. Th e permeability properties are very important, when considering the intended use. In this study, permeability coeffi cients of pervious concretes made with diff erent aggregate sizes and aggregate to binder ratios were investigated in terms of measurement methods and mixture types. As a result, the permeability coeffi cients were generally found to decrease as the aggregate/binder ratio decreases for the same aggregate type. Furthermore, it was determined that a higher permeability coeffi cient was obtained for each mixture type by using the falling head permeability test, than the constant head permeability test.

Keywords: Permeability coeffi cient, Pervious concrete, Porosity, Permeability

. GİRİŞ

Geçirimli betonlar, sertleşmiş halde genel olarak %15 ile %25 aralığında boşluk içeren ve kum içermeyen veya çok az kum içeren beton türleridir [1]. Geçirimli betonların kullanım amaçları göz önünde bulundurulduğunda en önemli özellikleri şüphesiz ki geçirimlilik özellikleridir. Geçirimli betonların permeabilite katsayılarını tespit etmek üzere pek çok farklı deney yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında da düşen seviyeli ve sabit seviyeli permeabilite ölçüm yöntemlerinden yararlanılarak farklı agrega granülometrilerine ve agrega/bağlayıcı oranlarına sahip geçirimli betonların permeabilite katsayılarının incelenmesi amaçlanmıştır.

. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

Geçirimli betonlar, boşluklu yapı malzemeleridir. Geçirimli betonlarda makro ölçekli boşluklar yağmur suyunun süzül-mesini kontrol ederken, mikro ölçekli boşluklar betonun durabilitesini etkilemektedir [2]. Geçirimli betonların geçirim-lilik özellikleri açısından boşlukların türü ve bağlantılılığı önemlidir. Geçirimli betonlarda, toplam porozite izole olmuş (kapalı) porozite ile açık (bağlantılı) porozitenin toplamına eşittir [3].

Literatürdeki çalışmalarda farklı karışım oranlarında hazırlanan geçirimli betonların permeabilite katsayılarındaki de-ğişimler incelenmiştir. Fu ve ark., (2014) tarafından yapılan çalışmada bağlantılı porozite ve permeabilite katsayısının bağlayıcı miktarı arttıkça düştüğü, agrega boyutunun artmasıyla birlikte ise yükseldiği bulunmuştur. Ayrıca çalışmanın

sonuçlarına göre mekanik dayanımın, permeabilite katsayısının artmasıyla birlikte düştüğü belirlenmiştir [4]. Agrega şeklinin, geçirimlilik üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Deneyler sonucunda permeabilite katsayısının agrega şeklinin, su/çimento oranının ve agrega boyutunun bir fonksiyonu olarak değiştiği sonucuna varılabileceği ayrıca tüm agrega bo-yutlarında düşük köşelilik değerli agregalar kullanılarak üretilen geçirimli betonların daha düşük permeabilite katsayısına sahip oldukları tespit edilmiştir [5].

Geçirimli betonların permeabilite katsayılarını tespit etmek üzere pek çok deney düzeneği geliştirilmiştir. Permeabilite katsayılarını belirlemek üzere yapılan deneyler, saha koşullarında yapılan permeabilite ölçümleri ve laboratuvar koşulla-rında yapılan permeabilite ölçümleri olarak birbirlerinden ayrılabilir. Sabit seviyeli ve düşen seviyeli permeabilite ölçüm yöntemlerini kıyaslayan Qin ve ark., (2015) tarafından yapılan çalışmada sabit seviyeli permeabilite ölçüm yöntemi kullanılarak elde edilen permeabilite katsayılarının, düşen seviyeli permeabilite ölçüm yöntemiyle elde edilen değerlerden daha düşük olduğu, düşen seviyeli permeabilite ölçüm yönteminde başlangıç ve bitiş su seviyesi seçimlerinin hesaplanan permeabilite katsayısını büyük oranda etkilediği bildirilmiştir [6].

Laboratuvar ölçümlerinin haricinde saha koşullarında gerçekleştirilen permeabilite katsayısı ölçüm yöntemleri de bulun-maktadır. ASTM C 1701, [7] ve Ulusal Asfalt Teknoloji Merkezi (NCAT) permeametresi testleri kullanılarak gerçekleş-tirilen testlerde her iki yöntemin de kaplamaların permeabilite katsayısı ölçümlerinde başarıyla kullanılabildiği, ayrıca karışım tasarımı ve bağlayıcı türünün permeabilite ölçüm hassasiyeti üzerinde önemli ölçüde etkisinin olmayacağı tespit edilmiştir. İki ölçüm yöntemi arasında ASTM yöntemiyle, diğer yönteme oranla daha düşük permeabilite katsayısı elde edildiği de çalışmada yer almaktadır [8].

Araştırmacılar farklı yöntemler kullanarak da hidrolik iletkenlik üzerine çalışmalar yapmışlardır. Kuang ve ark., (2011) tarafından yapılan çalışmada ağırlıklı kıvrımlılık, efektif porozite ve efektif boşluk hacim temelli özgül yüzey alanını kul-lanan modifiye Kozeny-Carman modeli önerilmiştir. Sonuçların, bu tür geçirimli kaplama boşluk yapı parametreleri ile modifiye Kozeny-Carman modelinin hidrolik iletkenliği öngörebildiğini gösterdiği bildirilmiştir [9].

. MATERYAL VE METOT

Bu çalışma kapsamında 3 farklı agrega boyutunda ve 3 farklı agrega/bağlayıcı oranında toplam 9 adet geçirimli beton karışımı üretilmiştir. Karışımlarda Oyak Beton tarafından temin edilen 2-4, 4-8 ve 8-16 mm boyutlarında yıkanmış kireçtaşı esaslı agregalar kullanılmıştır. Agregalara ait özgül kütle değerleri inceden iriye doğru sırasıyla 2,61; 2,69 ve 2,69’dur. Şekil 1.’de agrega granülometri eğrileri görülmektedir.

Şekil 1. Agrega granülometri eğrileri

Çalışmada Kahramanmaraş Çimento tarafından üretilen CEM I 42,5 R çimento kullanılmıştır. Tablo 1.’de çimentoya ait fiziksel ve kimyasal özellikler yer almaktadır.

Tablo 1. Çimento fiziksel özellikleri ve kimyasal analizi, [10]

Parametreler Değerler MgO %0,85 SO₃ %2,48 Kızdırma kaybı %2 Hacim genişlemesi 1,3 mm Priz başlangıcı 200 dk Priz sonu 240 dk Cl- _0,0092 Çözünmeyen kalıntı %0,4

Çalışmada BASF MGLENIUM 51 (Master Glenium 51) süper akışkanlaştırıcı katkı maddesi ve yine mineral katkı olarak da BASF Yapı Kimyasalları tarafından temin edilen silis dumanı kullanılmıştır. Tablo 2.’de silis dumanına ait fiziksel ve kimyasal özellikler, Tablo 3.’te ise süper akışkanlaştırıcı katkı malzemesine ait fiziksel ve kimyasal özellikler yer almaktadır.

Tablo 2. Silis dumanı fiziksel özellikleri ve kimyasal analizi, [10]

Parametreler Değerler SiO2 %91,97 Cl %0,06 Fe₂O₃ %1,32 Al2O3 %0,62 Na₂O %0,49 K2O %1,49 MgO %1,25 CaO %0,31 SO3 %0,35 H2O %0,22 Kızdırma kaybı %1,33 Aktivite indeksi %131,5 Özgül yüzey 21,08 m2_/gr Hacimsel yoğunluk 605,33 kg/m3

Tablo 3. Süper akışkanlaştırıcı katkı fiziksel ve kimyasal özellikleri,[10]

Parametreler Değerler Yoğunluk 1,084 gr/cm3 pH 6 Katı madde %35,64 Klor miktarı %0,0527 Alkali miktarı %1,19

Çalışmada kullanılan karışımların isimleri Tablo 4.’te yer almaktadır. Bağlayıcı ağırlığı; çimento, süper akışkanlaştırıcı, silis dumanı ve su ağırlığının toplamına eşittir.

Tablo 4. Karışım isimleri, [10]

Karışım adı: Açıklama

K 1-3 Agrega/bağlayıcı oranı 3 olan, 2-4 mm agregalı karışım. K 1-2,5 Agrega/bağlayıcı oranı 2,5 olan, 2-4 mm agregalı karışım.

K 1-2 Agrega/bağlayıcı oranı 2 olan, 2-4 mm agregalı karışım. K 2-3 Agrega/bağlayıcı oranı 3 olan, 4-8 mm agregalı karışım. K 2-2,5 Agrega/bağlayıcı oranı 2,5 olan, 4-8 mm agregalı karışım.

K 2-2 Agrega/bağlayıcı oranı 2 olan, 4-8 mm agregalı karışım. K 3-3 Agrega/bağlayıcı oranı 3 olan, 8-16 mm agregalı karışım. K 3-2,5 Agrega/bağlayıcı oranı 2,5 olan, 8-16 mm agregalı karışım.

K 3-2 Agrega/bağlayıcı oranı 2 olan, 8-16 mm agregalı karışım.

Tablo 5.’te 2-4 mm agregalı geçirimli beton karışımlarına ait karışım oranları yer almaktadır.

Tablo 5. 2-4 mm agregalı geçirimli betonlara ait karışım oranları, [10]

Kuru Yüzey Doygun Hal K 1-3 K 1-2,5 K 1-2

Su (kg/m³) 114,2 114,2 114,2 Su/Çimento 0,25 0,25 0,25 Agrega yoğunluğu (gr/cm³) 2,61 2,61 2,61 1 m³ de ki agrega miktarı (kg) 1864,08 1550,88 1237,68 Silis dumanı (kg/m³) 44,87 44,87 44,87 Çimento (kg/m³) 448,72 448,72 448,72 Süper akışkanlaştırıcı (kg/m³) 9,97 9,97 9,97 Çimento/Agrega 0,24 0,29 0,36 Agrega/Bağlayıcı 3,0 2,5 2,0 Süper a./Bağlayıcı (%) 1,61 1,61 1,61

Tablo 6. 4-8 mm agregalı geçirimli betonlara ait karışım oranları, [10]

Kuru Yüzey Doygun Hal K 2-3 K 2-2,5 K 2-2

Su (kg/m³) 100 100 100 Su/Çimento 0,22 0,22 0,22 Agrega yoğunluğu (gr/cm³) 2,69 2,69 2,69 Agrega (kg/m³) 1824,91 1510,18 1216,97 Silis dumanı (kg/m³) 44,87 44,87 44,87 Çimento (kg/m³) 448,72 448,72 448,72 Süper akışkanlaştırıcı (kg/m³) 9,97 9,97 9,97 Çimento/Agrega 0,25 0,30 0,37 Agrega/Bağlayıcı 3,0 2,5 2,0 Süper a./Bağlayıcı (%) 1,65 1,65 1,65

Tablo 7.’de 8-16 mm agregalı geçirimli betonlara ait karışım oranları görülmektedir.

Tablo 7. 8-16 mm agregalı geçirimli betonlara ait karışım oranları, [10]

Kuru Yüzey Doygun Hal K 3-3 K 3-2,5 K 3-2

Su (kg/m³) 95 95 95 Su/Çimento 0,21 0,21 0,21 Agrega yoğunluğu (gr/cm³) 2,69 2,69 2,69 Agrega (kg/m³) 1811,46 1502,11 1219,66 Silis dumanı (kg/m³) 44,87 44,87 44,87 Çimento (kg/m³) 448,72 448,72 448,72 Süper akışkanlaştırıcı (kg/m³) 9,97 9,97 9,97 Çimento/Agrega 0,25 0,30 0,37 Agrega/Bağlayıcı 3,0 2,5 2,0 Süper a./Bağlayıcı (%) 1,67 1,67 1,67 3.2. Metot

Geçirimli betonların permeabilite katsayılarını tespit etmek üzere 10,6 cm çapında 15 cm yüksekliğinde PVC kalıplara karışımlar, iki katman halinde yerleştirilmiş olup her bir katman standart proktor çekici ile katmanlarda çekicin temas et-mediği yer kalmayacak şekilde sıkıştırılmıştır. Numuneler üzerinde düşen seviyeli ve sabit seviyeli permeabilite deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca düşen seviyeli permeabilite ölçümü, sadece giriş suyu haznesi ve numuneden oluşacak şekilde (2. Yöntem) bir kez daha gerçekleştirilmiştir. Permeabilite deneyi için PVC kalıpların içerisine karışımlar doldurularak yan yüzeylerden su akışı olmaması sağlanmıştır. Şekil 2.’de deney düzeneğinin şematik gösterimi bulunmaktadır.

Şekil 2. Permeabilite katsayısı ölçümü deney düzeneği, [10]

Deney düzeneğinde 1, 2, 3, 4 ve 5 numaralı kısımlar sırasıyla; giriş suyu haznesi, numune, çıkış suyu haznesi, boru ek parçaları ve vanadır. Permeabilite değerleri Darcy kanunundan yararlanılarak [11] nolu çalışmada yer alan aşağıdaki formüller kullanılarak belirlenmiştir. Formül (1) düşen seviyeli permeabilite deneyine ve Formül (2) sabit seviyeli per-meabilite deneyine aittir.

t=t2-t1

k=[(axL)/(Axt)]ln(h1/h2) (1)

Formüldeki notasyonlar sırasıyla k: permeabilite katsayısı (mm/sn), a: boru kesit alanı (mm2_{), L: numune uzunluğu}

(mm), A: numune alanı (mm2_{) ve t: su seviyesinin h1’den h2’ye düşmesi için gereken süredir (sn).}

k=Q/Ait (2) Formüldeki notasyonlar sırasıyla k: permeabilite katsayısı (mm/sn), A: numune alanı (mm2_{), i: hidrolik eğim (Δh/L) ve}

t: deney süresidir (sn).

Şekil 3 (a)’da sabit ve düşen seviyeli permeabilite deney düzeneği görülmektedir. Şekil 3 (b)’de ise düşen seviyeli permeabilite ölçümü (2.yöntem) yer almaktadır.

Şekil 3. (a) Düşen ve sabit seviyeli permeabilite ölçümü deney düzeneği, (b) düşen seviyeli permeabilite ölçüm yöntemi (2. Yöntem), [10]

BULGULAR VE TARTIŞMA

Düşen seviyeli, düşen seviyeli (2.yöntem) ve sabit seviyeli permeabilite ölçüm yöntemleriyle bulunan permeabilite kat-sayıları Tablo 8’de görülmektedir.

Tablo 8. Karışım türlerine ait permeabilite katsayıları, [10]

Karışım adı Sabit Seviyeli Permeabilite Kat-sayısı (cm/sn)

Düşen Seviyeli Permeabilite Katsayısı (cm/sn)

Düşen Seviyeli (2.Yöntem) Permeabilite Katsayısı (cm/sn) K 3-3 1,85 3,20 -K 3-2,5 1,80 3,07 -K 3-2 1,34 1,93 -K 2-3 1,63 2,33 -K 2-2,5 1,39 1,98 -K 2-2 1,13 1,28 -K 1-3 0,76 0,92 0,92 K 1-2,5 0,21 0,23 0,36 K 1-2 0,19 0,22 0,25

Sonuçlar incelendiğinde tüm karışım türlerinde düşen seviyeli permeabilite ölçüm yöntemi ile sabit seviyeli ölçüm yön-teminden daha yüksek permeabilite katsayısı elde edildiği bulunmuştur. Düşen seviyeli (2. Yöntem) ölçüm yöntemiyle de genellikle diğer ölçüm yöntemlerinden daha yüksek sonuçlar elde edilmiştir. Şekil 4.’te tüm karışım türlerine ait per-meabilite katsayılarının poroziteye göre değişimleri grafiksel olarak görülmektedir. Karışımların porozite değerlerine ait ayrıntılı bilgiler [10] nolu çalışmada yer almaktadır.

Şekil 4. Tüm karışım türlerine ait permeabilite katsayılarının poroziteye göre değişimi, [10]

Şekil 4.’ten de anlaşılacağı üzere tüm karışım türlerinde agrega/bağlayıcı oranı azaldıkça porozite değerleri ve permeabili-te katsayılarının azaldığı görülmekpermeabili-tedir. Permeabilipermeabili-te katsayısının genel olarak porozipermeabili-te arttıkça yükseldiği görülmekpermeabili-tedir. Bazı karışımlarda porozite değeri yüksek olmasına rağmen daha düşük permeabilite katsayısı elde edildiği gözlenmiştir. Bu duruma, iri agregalı karışımlarda daha yüksek bağlantılı porozite oranı bulunması ihtimalinin sebep olmuş olabileceği düşünülmektedir. Tablo 9.’da ölçüm yöntemlerine göre bulunan permeabilite katsayılarının birbirlerine göre ve K1-2 karışım türüne göre oranları yer almaktadır.

Tablo 9. Karışımlara ait permeabilite katsayılarının, K1-2 karışımına ve ölçüm yöntemlerinin birbirlerine göre oranları, [10]

Karışım Adı Düşen Seviyeli Permeabilite Katsayıları-nın K 1-2 Karışımına Göre Oranları

Sabit Seviyeli Permeabilite Katsayıları-nın K 1-2 Karışımına Göre Oranları

Ölçüm Yöntemleri-nin Kıyaslanması K 1-2 1,00 1,00 0,86 K 1-2,5 1,05 1,11 0,91 K 1-3 4,18 4,00 0,83 K 2-2 5,82 5,95 0,88 K 2-2,5 9,00 7,32 0,70 K 2-3 10,59 8,58 0,70 K 3-2 8,77 7,05 0,69 K 3-2,5 13,95 9,47 0,59 K 3-3 14,55 9,74 0,58 Ortalama 0,75

Tablo 9. incelendiğinde ince agregalı karışımlarda her iki yöntemde de karışım türü değişimlerinde permeabilite kat-sayılarının birbirlerine yakın olarak değiştiği görülmektedir. Agrega boyutu arttıkça elde edilen permeabilite katsayısı değerlerinin birbirlerinden uzaklaştığı gözlenmiştir. Karışım türlerinden bağımsız olarak sabit seviyeli ölçüm yöntemi kullanılarak elde edilen permeabilite katsayısı değerlerinin, düşen seviyeli permeabilite katsayılarının yaklaşık %75’i kadar olduğu bulunmuştur.

. SONUÇ

Tüm ölçüm yöntemlerinde permeabilite katsayısı, aynı agrega türünde agrega/bağlayıcı oranı arttıkça yükselmektedir. Karışımlara ait permeabilite katsayıları incelendiğinde permeabilite değerlerinin, aynı agrega türü içerisinde porozite arttıkça yükseldiği gözlenmiştir. Karışım türlerinden bağımsız olarak geçirimli beton numunelerde sabit seviyeli perme-abilite ölçüm yöntemiyle belirlenen permeperme-abilite katsayılarının, düşen seviyeli permeperme-abilite ölçüm yöntemiyle belirlenen permeabilite katsayılarının yaklaşık %75’i kadar olduğu belirlenmiştir. Deney düzeneğinde numuneden sonraki kısımlar çıkartılarak sadece giriş suyu haznesi ve numuneden oluşan bir düzenekle testler gerçekleştirildiğinde ise iri agregalı karışımlarda numune üzerinde su birikmediğinden sadece ince agregalı karışımlarda permeabilite ölçümü gerçekleşti-rilmiştir. Sonuçta, permeabilite ölçüm yöntemlerinin permeabilite ölçümleri üzerinde ciddi farklılıklar ortaya çıkardığı anlaşılmaktadır. Permeabilite katsayılarının kıyaslanmasında test yöntemi ve deney koşulları mutlaka göz önünde bulun-durulmalıdır.

REFERANSLAR

[1] Tennis, P.D., Leming, M.L., and Akers, D.J., (2004). “Pervious Concrete Pavements”, EB302.02, Portland Cement Associati-on, Skokie, Illinois, and National Ready Mixed Concrete AssociatiAssociati-on, Silver Spring, Maryland, USA, 36 p.

[2] Kevern, J. T., Wang, K., and Schaefer, V. R., (2010). “Eff ect of Coarse Aggregate on the Freeze-Th aw Durability of Pervious Concrete”, Journal of Materials in Civil Engineering, vol.22(5), pp.469-475.

[3] Ćosić, K., Korat, L., Ducman, V., and Netinger, I., (2015). “Infl uence of Aggregate Type and Size on Properties of Pervious Concrete”, Construction and Building Materials, vol.78, pp.69-76.

[4] Fu, T. C., Yeih, W., Chang, J.J., and Huang, R., (2014). “Th e Infl uence of Aggregate Size and Binder Material on the Pro-perties of Pervious Concrete”, Advances in Materials Science and Engineering, Hindawi Publishing Corporation, vol. 2014, Article ID 963971, 17 p.

[5] Jain, A.K., and Chouhan, J.S., (2011). “Eff ect of Shape of Aggregate on Compressive Strength and Permeability Properties of Pervious Concrete”, International Journal of Advanced Engineering Research and Studies E-ISSN2249-8974, vol.1(1), pp.120-126.

[6] Qin, Y., Yang, H., Deng, Z., and He, J., (2015). “Water Permeability of Pervious Concrete is Dependent on the Applied Pressure and Testing Methods”, Advances in Materials Science and Engineering, Hindawi Publishing Corporation, vol. 2015, Article ID 404136, 6 p.

[7] ASTM C1701 / C1701M-09, (2009). “Standard Test Method for Infiltration Rate of in Place Pervious Concrete”, ASTM International, West Conshohocken, PA.

[8] Li, H., Kayhanian, M., and Harvey, J. T., (2013). “Comparative Field Permeability Measurement of Permeable Pavements Using ASTM C1701 and NCAT Permeameter Methods”, Journal of Environmental Management, vol.118, pp.144-152. [9] Kuang, X., Sansalone, J., Ying, G. and Ranieri, V., (2011). “Pore-Structure Models of Hydraulic Conductivity for Permeable

Pavement”, Journal of Hydrology, vol.399, pp.148-157.

[10] Akkaya, A., (2017). “Geçirimli Betonların Yol Kaplaması Olarak Kullanımının Araştırılması”, Çukurova Üniversitesi. Yüksek Lisans Tezi, Adana, 229 s.