ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
DÜġÜK SU/ÇĠMENTO ORANLI BETONLARDA GEVREKLĠĞĠN ĠÇ YAPIYLA ĠLGĠSĠ
YÜKSEKLĠSANS TEZĠ Umut ÇETĠN
MAYIS 2003
Anabilim Dalı : ĠNġAAT MÜHENDĠSLĠĞĠ Programı : YAPI MÜHENDĠSLĠĞĠ
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
DÜġÜK SU/ÇĠMENTO ORANLI BETONLARDA GEVREKLĠĞĠN ĠÇ YAPIYLA ĠLGĠSĠ
YÜKSEKLĠSANS TEZĠ Umut ÇETĠN
(501991336)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 5 Mayıs 2003 Tezin Savunulduğu Tarih : 26 Mayıs 2003
Tez DanıĢmanı : Öğr. Gör. Dr. Osman N. OKTAR Diğer Jüri Üyeleri : Prof.Dr. Mehmet Ali TAġDEMĠR
ÖNSÖZ
SertleĢmiĢ betonda aranan özelliklerin baĢında basınç dayanımının yüksek olması gelmektedir. Hem dünyada hem de ülkemizde yüksek dayanımlı betonlara olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Su/çimento oranının düĢürülmesiyle ve dolayısıyla betondaki boĢluk miktarının en düĢük düzeyde tutulması sonucu betonun dayanımının artacağı açıktır. Öte yandan betonun deprem gibi dinamik etkiler karĢısındaki performansını belirleyen en önemli etkenlerden biri betonun bu etkiler karĢısında ne ölçüde gevrek davranıĢ gösterdiğidir.
Yapılan bu çalıĢmada düĢük su/çimento oranlı betonlar için gevrekliğin ve diğer beton özelliklerinin beton iç yapısıyla olan iliĢkisi araĢtırılmıĢtır.
Öncelikle tez çalıĢmamı yöneten ve tez süresince bilgisini ve desteğini hiç esirgemeyen hocam Öğr. Gör. Dr. Osman N. OKTAR’ a, eğitim dönemimde malzeme bilimi konusunda paylaĢtığı değerli bilgilerin yanında tez çalıĢmam sırasında da ilgilerini esirgemeyen hocam Prof. Dr. Mehmet Ali TAġDEMĠR’ e teĢekkürlerimi sunarım.
Tez çalıĢmamın her aĢaması ile yakından ilgilenip, bilgisini ve zamanını benimle paylaĢarak bu çalıĢmaya büyük katkı sağlayan AraĢ. Gör. Dr. Hakan N. ATAHAN’ a teĢekkürü bir borç bilirim. Katkıları dolayısıyla AraĢ. Gör. Özkan ġENGÜL’ e, AraĢ. Gör. Özgür EKĠNCĠOĞLU’ na ve deney aĢamasındaki fedakar yardımları dolayısıyla Yapı Malzemesi Laboratuar çalıĢanlarından teknisyen Murat MEYDAN’ a çok teĢekkür ederim.
Deneysel çalıĢmalarımda kullanılan malzemeler için Set Çimento ve YKS firmalarına teĢekkür ederim.
YaĢamım boyunca her zaman sevgilerini ve desteklerini benden esirgemeyen çok değerli aileme sonsuz teĢekkürler...
ĠÇĠNDEKĠLER
KISALTMALAR vii
TABLO LĠSTESĠ viii
ġEKĠL LĠSTESĠ x
SEMBOL LĠSTESĠ xiii
ÖZET xv
SUMMARY xvi
1.GĠRĠġ 1
1.1. GiriĢ 1
2. LĠTERATÜR ÇALIġMASI 4
2.1. Beton ve Temel Özellikleri 4
2.2. Betonun Ġç Yapısı 5
2.2.1. Hidratasyon olayı ve olayın genel özellikleri 5
2.2.2. Hidratasyon yapmıĢ çimentonun iç yapısı 8
2.2.3. SertleĢmiĢ çimento hamuru içerisindeki boĢluklar 8
2.2.3.1. Hava boĢlukları 9
2.2.3.2. Kılcal boĢluklar 10
2.2.3.3. Jel boĢlukları 11
2.2.4. SertleĢmiĢ çimento hamuru içerisindeki su 11
2.3. Bağlayıcı Hamurun Betonun Mekanik Özelliklerine Etkisi 13
2.3.1. Jel/Hacim oranı 13
2.3.2. Su/Çimento oranının etkisi 17
2.3.3. Agrega-Çimento ara yüzeyinin iç yapısı 19
2.3.4. Porozite 23
2.4. Gevrek DavranıĢ 24
2.5. SertleĢmiĢ Beton Özelliklerinin Çimento Hamuru BoĢluk
Yapısına Duyarlılığı 27
2.5.2. Özelliklerin çimento hamurunun boĢluk yapısına 2. tip
duyarlılık derecesi, (SD2)i 30
3. DENEYSEL ÇALIġMALAR 31
3.1. Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri 31
3.1.1. Agrega özellikleri 31
3.1.1.1. Kum 31
3.1.1.2. KırmataĢ 31
3.1.2. Agrega granülometrik bileĢimleri 32
3.1.3. Çimento özellikleri 33
3.1.4. Katkı malzemeleri 33
3.2 Beton KarıĢım Hesapları 34
3.2.1. Kabul edilen esaslar 34
3.2.2. Beton karıĢım hesapları 35
3.2.3. Beton üretimi, karıĢtırma, yerleĢtirme ve kür koĢulları 36
3.2.4. Numune boyutları ve sayıları 37
3.3 Deneylerin Tanımlanması ve Uygulanan Yöntemler 37
3.3.1 SertleĢmiĢ Beton Deneyleri 37
3.3.1.1. ġekil değiĢtirme deneyleri 37
3.3.1.2 Gevreklik indisi deneyleri 37
3.3.1.3 Yarma deneyleri 38
3.3.2 Çimento hidratasyon derecelerinin belirlenmesi 38
4. DENEY SONUÇLARI 39
4.1. Taze Beton Deney Sonuçları 39
4.2. SertleĢmiĢ Beton Deney Sonuçları 39
4.2.1. Kılcal boĢlukları kurutulmuĢ durumda ölçülen birim ağırlıklar 39
4.2.2. ġekil değiĢtirme deneyleri 40
4.2.3. Yarma deneyi sonuçları 41
4.2.4. Gevreklik indisi deneyleri 42
4.3. Bağıl Kırılma Enerjileri 45
5.DENEY SONUÇLARININ ĠNCELENMESĠ VE
DEĞERLENDĠRĠLMESĠ 50
5.1. Su/Çimento Oranının SertleĢmiĢ Beton Özelliklerine Etkisi 50 5.2. Agrega Granülometrisinin SertleĢmiĢ Beton Özelliklerine Etkisi 51
5.3. BileĢimin Gevrekliğe Etkisi 52
5.4.Çimentoda JelleĢmeyle Meydana Gelen GenleĢme Oranının
Saptanması ve D1 DeğiĢkeni 52
5.5. Özelliklerin Çimento Hamurunun BoĢluk Yapısına Duyarlılığı 54
5.5.1. D2 değiĢkeni 54
5.5.2. Özellikleri Ġfade Etmekte Kullanılan Fonksiyonlar 55
5.6. Özellikleri Ġç Yapıya Göre Ġfade Eden Bağıntılar 56 5.7. Özellikler Arasındaki Bağıntılar ve Korelasyon Katsayıları 57
6. SONUÇLAR 58 KAYNAKLAR 60 EK – A 65 EK – B 71 EK – C 80 ÖZGEÇMĠġ 98
KISALTMALAR
C-H : Kalsiyum Hidroksit
C-S-H : Kalsiyum Silikat Hidrate C-A-S-H : Etrenjit
YKSD :Yüzey Kuru Suya Doygun
D1 : 1 no’ lu değiĢken
D2 : 2 no’ lu değiĢken
Phi : SertleĢmiĢ Beton Özelliği
SD1 : 1. Tip Duyarlılık Derecesi
SD2 : 2. Tip Duyarlılık Derecesi
TABLO LĠSTESĠ
Sayfa No Tablo 2.1. Hidrate çimento hamuru içerisindeki boĢlukların
sınıflandırılması... 9
Tablo 3.1. Agregalara ait birim ağırlık ve özgül ağırlık deney sonuçları... 32
Tablo 3.2. Elek analizi deney sonuçları... 32
Tablo 3.3. Çimento fiziksel özellikleri... 33
Tablo 3.4. Kullanılan katkı maddeleri ve kullanım oranları... 34
Tablo 3.5. Agrega karıĢım oranları... 35
Tablo 4.1. Kılcal boĢlukları kurutulmuĢ durumda ölçülen birim ağırlıklar... 40
Tablo 4.2. 28 günlük mekanik özellikler... 42
Tablo 4.3. Gevreklik indisleri... 44
Tablo 4.4. BuharlaĢamayan su miktarı oranları (wn/c) ve hidratasyon dereceleri ()... 48
Tablo 4.5. Su/çimento oranları (w/c) ile hidratasyon dereceleri () aralarındaki bağıntılar ve bunların korelasyon katsayıları... 48
Tablo 5.1. ile D1 değiĢkeni arasındaki iliĢkiden faydalanarak bulunan ‘’p’’ değeri ve (-D1) (-D2) bağıntılarının korelasyon katsayıları... 54
Tablo 5.2. Özellikleri ifade etmekte kullanılan fonksiyonlar... 55
Tablo 5.3. F1 fonksiyonuna göre bulunan (SD1)i ve (SD2)i‘ ler ile bunlara ait korelasyon katsayıları... 55
Tablo 5.4. F2 fonksiyonuna göre bulunan (SD1)i ve (SD2)i‘ ler ile bunlara ait korelasyon katsayıları... 56
Tablo 5.5. Özellikler ile değiĢkenler arasındaki maksimum korelasyon katsayıları R(ni*)... 56
Tablo A.1. A16-B16 granülometrisine sahip betonların karıĢım oranları ve taze birim ağırlıkları... 66
Tablo A.2 B16 granülometrisine sahip betonların karıĢım oranları ve taze birim ağırlıkları... 66
Tablo A.3. B16 – C16 granülometrisine sahip betonların karıĢım oranları ve taze birim ağırlıkları... 67
Tablo A.5. 28 günlük numunelerde maksimum yükdeki birim
deformasyon miktarları (εcu) ve kırılma Ģekil değiĢtirme
enerjileri (KEmaks)N/mm²... 68
Tablo C.1. F1 fonksiyonuna göre bulunan bağıntılar... 81
Tablo C.2. F2 fonksiyonuna göre bulunan bağıntılar... 81
Tablo C.3. Her özellik için maksimum korelasyonları veren
fonksiyonlar... 82
Tablo C.4. Özellikler arasındaki bağıntılar ve korelasyon katsayıları
(rij)... 83
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa No ġekil 2.1 : Portland çimentosunun sertleĢme mekanizmasını
gösteren dört aĢama: a) Su ile temas b) Hidratasyon baĢlangıcı c) JelleĢme(priz) d) SertleĢmiĢ çimento
hamuru... 6
ġekil 2.2 : SertleĢmiĢ çimento hamuru yapısının basitleĢtirilmiĢ bir modeli... 7
ġekil 2.3 : Jel/Hacim oranı ile dayanımlar arasındaki iliĢki... 15
ġekil 2.4 : Portland çimentosu ve uçucu küllü çimento hamurlarında jel/hacim oranı ile basınç dayanımları arasındaki iliĢki... 16
ġekil 2.5 : Dayanım ve su/çimento oranı arasındaki iliĢki... 18
ġekil 2.6 : GeçiĢ bölgesinin mikroyapısı... 20
ġekil 2.7 : Çimento hamuru-agrega ara yüzey bölgesinin Ģematik gösterimi... 21
ġekil 2.8 : Normal ve yüksek dayanımlı betonların gerilme-ĢekildeğiĢtirme eğrileri... 24
ġekil 2.9 : Histeris eğrileri üzerinde dayanımın etkisi... 25
ġekil 2.10 : Betonun tek eksenli basınç altında a) Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) b) Bağıl kırılma enerjisi (Ur).... 26
ġekil 2.11 : Taze betonun yapısı... 27
ġekil 2.12 : SertleĢmiĢ betonun yapısı... 28
ġekil 4.1 : Silindir basınç dayanımları ile basınç dayanımındaki birim kısalma(εcu) arasındaki iliĢki... 41
ġekil 4.2 : Betonun tekrarlı yükleme halinde gerilme-Ģekil değiĢtirme eğrisi... 43
ġekil 4.3 : a)Lineer elastik ve b)Ġnelastik davranıĢ gösteren malzemede bağıl kırılma enerjileri... 45
ġekil 4.4 : Normalize edilmiĢ basınç dayanımları ile bağıl kırılma enerjileri arasındaki iliĢki... 46
ġekil 4.5 : Su/çimento oranı – hidratasyon dereceleri() arasındaki iliĢki... 49
ġekil A.1 : A16-B16 granülometri eğrisi... 69
ġekil A.2 : B16 granülometri eğrisi... 69
ġekil A.3 : B16-C16 granülometri eğrisi... 70
ġekil A.4 : C16 granülometri eğrisi... 70
ġekil B.1 : Birim ağırlık () – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 72
ġekil B.2 : Elastisite modülü (E) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 72
ġekil B.4 : Basınç dayanımı (fcs) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 73
ġekil B.5 : Birim kısalma (cu) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 74
ġekil B.6 : Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 74
ġekil B.7 : Bağıl kırılma enerjisi(Ur) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi.. 75
ġekil B.8 : Yarma dayanımı(Ts) – su/çimento oranı (w/c) iliĢkisi... 75
ġekil B.9 : A16-B16 granülometrisi için histeris eğrilerinin
su/çimento oranına göre değiĢimi... 76
ġekil B.10 : B16 granülometrisi için histeris eğrilerinin su/çimento
oranına göre değiĢimi... 76
ġekil B.11 : B16-C16 granülometrisi için histeris eğrilerinin
su/çimento oranına göre değiĢimi ... 77
ġekil B.12 : C16 granülometrisi için histeris eğrilerinin su/çimento
oranına göre değiĢimi ... 77
ġekil B.13 : w/c = 0.26 için histeris eğrilerinin granülometriye göre
değiĢimi ... 78
ġekil B.14 : w/c = 0.30 için histeris eğrilerinin granülometriye göre
değiĢimi ... 78
ġekil B.15 : w/c = 0.34 için histeris eğrilerinin granülometriye göre
değiĢimi ... 79
ġekil B.16 : w/c = 0.38 için histeris eğrilerinin granülometriye göre
değiĢimi ... 79
ġekil C.1 : Birim ağırlık () - Bağıl kırılma enerjisi(Ur) arasındaki
iliĢki... 84
ġekil C.2 : Birim ağırlık () - Elastisite modülü (E) arasındaki iliĢki... 84
ġekil C.3 : Birim ağırlık ()-Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks)
arasındaki iliĢki... 85
ġekil C.4 : Birim ağırlık () - Basınç dayanımındaki birim kısalma
(cu) arasındaki iliĢki... 85
ġekil C.5 : Birim ağırlık () - Gevreklik indisi(G.Ġ.) arasındaki
iliĢki... 86
ġekil C.6 : Birim ağırlık () - Yarma dayanımı(Ts) arasındaki
iliĢki... 86
ġekil C.7 : Birim ağırlık () - Basınç dayanımı (fcs) arasındaki iliĢki... 87
ġekil C.8 : Elastisite modülü (E) - Basınç dayanımı (fcs) arasındaki
iliĢki... 87
ġekil C.9 : Elastisite modülü (E) - Kırılma Ģekil değiĢtirme
enerjisi(KEmaks) arasındaki iliĢki... 88
ġekil C.10 : Elastisite modülü (E) - Basınç dayanımındaki birim
kısalma (cu) arasındaki iliĢki... 88
ġekil C.11 : Elastisite modülü (E) - Bağıl kırılma enerjisi(Ur)
arasındaki iliĢki... 89
ġekil C.12 : Elastisite modülü (E) - Gevreklik indisi(G.Ġ.) arasındaki
iliĢki... 89
ġekil C.14 : Basınç dayanımı (fcs) - Basınç dayanımındaki birim
kısalma (cu) arasındaki iliĢki... 90
ġekil C.15 : Basınç dayanımı (fcs) - Kırılma Ģekil değiĢtirme
enerjisi(KEmaks) arasındaki iliĢki... 91
ġekil C.16 : Basınç dayanımı (fcs) - Bağıl kırılma enerjisi(Ur)
arasındaki iliĢki... 91
ġekil C.17 : Basınç dayanımı (fcs) - Gevreklik indisi(G.Ġ.) arasındaki
iliĢki... 92
ġekil C.18 : Basınç dayanımı (fcs) - Yarma dayanımı(Ts) arasındaki
iliĢki... 92
ġekil C.19 : Basınç dayanımındaki birim kısalma (cu) - Yarma
dayanımı(Ts) arasındaki iliĢki... 93
ġekil C.20 : Basınç dayanımındaki birim kısalma (cu) - Gevreklik
indisi(G.Ġ.) arasındaki iliĢki... 93
ġekil C.21 : Basınç dayanımındaki birim kısalma (cu) - Kırılma Ģekil
değiĢtirme enerjisi(KEmaks) arasındaki iliĢki... 94
ġekil C.22 : Basınç dayanımındaki birim kısalma (cu) - Bağıl kırılma
enerjisi(Ur) arasındaki iliĢki... 94
ġekil C.23 : Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) - Bağıl kırılma
enerjisi(Ur) arasındaki iliĢki... 95
ġekil C.24 : Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) - Gevreklik
indisi(G.Ġ.) arasındaki iliĢki... 95
ġekil C.25 : Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) - Yarma
dayanımı(Ts) arasındaki iliĢki... 96
ġekil C.26 : Bağıl kırılma enerjisi(Ur) - Yarma dayanımı(Ts) arasındaki iliĢki... 96
ġekil C.27 : Bağıl kırılma enerjisi(Ur) - Gevreklik indisi(G.Ġ.)
arasındaki iliĢki... 97
ġekil C.28 : Gevreklik indisi(G.Ġ.) - Yarma dayanımı(Ts) arasındaki
SEMBOL LĠSTESĠ
C : 1m³ yerleĢmiĢ betondaki çimento ağırlığı
c : 1m³ yerleĢmiĢ betondaki mutlak çimento hacmi
W : 1m³ yerleĢmiĢ betondaki su ağırlığı
K : 1m³ yerleĢmiĢ betondaki katkı ağırlığı
ç : Çimentonun özgül ağırlığı
k : Katkı maddesi özgül ağırlığı
i : ‘’i’’ agregasının özgül ağırlığı Pi : ‘’i’’ agregasının karıĢım yüzdesi
Va : Toplam agrega hacmi
a : 1m³ yerleĢmiĢ betondaki hava boĢluğu
Gi : ‘’i’’ agregasının ağırlığı
Δ : Birim ağırlık
E : Elastisite modülü
fcs : Silindir basınç dayanımı
εcu : Basınç dayanımındaki birim kısalma
KEmaks : Kırılma ĢekildeğiĢtirme enerjisi
Ur : Bağıl kırılma enerjisi
G.Ġ. : Gevreklik indisi
SI : Tersinmez deformasyon enerjisi
SII : Tersinir deformasyon enerji
Ts : Yarma-çekme dayanımı
Pk : Kırılma yükü
d : Disk numune çapı
h : Disk numune yüksekliği
: Hidratasyon derecesi
whi : Hidrate çimentonun kızdırma iĢlemi sonundaki ağırlığı
Wi : Hidrate olmamıĢ çimentonun kızdırma kaybı
ni : Duyarlılık katsayısı
p : Hacim artıĢ oranı
DÜġÜK SU/ÇĠMENTO ORANLI BETONLARDA GEVREKLĠĞĠN ĠÇ YAPIYLA ĠLGĠSĠ
ÖZET
Sunulan bu çalıĢmada, gevrekliğin ve diğer beton özelliklerinin beton iç yapısıyla olan iliĢkisi düĢük su/çimento oranlı betonlar için incelenmiĢ, beton özelliklerinin sertleĢmiĢ çimento hamurundaki boĢluk yapısına duyarlılığı konusunda araĢtırmalar yapılmıĢtır.
ÇalıĢmada 28 günlük deneyler için A16-B16, B16, B16-C16, C16 olmak üzere 4 farklı granülometri eğrisi kullanılmıĢ ve her bir granülometri için 0.26, 0.30, 0.34, 0.38 olmak üzere 4 farklı su/çimento oranında beton üretimi yapılmıĢtır. ÇalıĢma süresince deney için üretilen tüm betonlarda aynı malzemeler kullanılmıĢtır. 28. günde sertleĢmiĢ beton numuneleri üzerinde Ģekil değiĢtirme,gevreklik indisi ve yarma deneyleri yapılmıĢtır. Ayrıca her su/çimento oranında üretilen çimento hamurları için hidratasyon dereceleri hesaplanmıĢtır.
Yapılan bu çalıĢmada, 8 adet sertleĢmiĢ beton özelliği incelenmiĢtir.Bunlar; birim ağırlık (),elastisite modülü (E), silindir basınç dayanımı (fcs), basınç dayanımındaki birim kısalma (εcu), kırılma ĢekildeğiĢtirme enerjisi (KEmaks), bağıl kırılma enerjisi(Ur), gevreklik indisi (G.Ġ.) ve yarma dayanımı(TS)’ dır. Özellikleri ifade etmek için D1 ve D2 olmak üzere iki farklı değiĢken ve çimento hamurunun boĢluk yapısına duyarlılıklarını niceliksel olarak tanımlayan (SD1)i, (SD2)i duyarlılık dereceleri tanımlanmıĢtır.
Gevreklik indisini ve bağıl kırılma enerjisini (bağıl tokluk) göz önüne alarak yapılan incelemeler, su/çimento oranı yükseldikçe betonun gevrekliğinin azaldığını göstermektedir. Su/çimento oranının gevreklik üzerinde oluĢturduğu etki, histeris eğrilerine yansımamıĢ; su/çimento oranının değiĢmesiyle bu eğrilerde sistemli bir değiĢim gözlenmemiĢtir. Bununla beraber agrega granülometrisinin de gevreklik üzerinde açık bir etkisi olmadığı görülmüĢtür.
Granülometri inceldikçe basınç ve yarma dayanımları yükselmiĢtir. Bunun sebebi granülometri inceldikçe iri agrega – harç temas yüzeylerinin oluĢturduğu zayıf bölgelerin azalmasıdır. Benzer Ģekilde granülometri inceldikçe basınç dayanımındaki birim kısalma artmıĢtır. Granülometri inceldikçe harç fazının da incelmesi ve beton içinde daha fazla yer tutması, böylece betonda mikroçatlak oluĢabilme potansiyelinin yükselmesi söz konusu artıĢa neden olmuĢtur.
Hidratasyon sırasında çimento tanelerinin jele dönüĢmesi sonucu oluĢan hacim artıĢ oranı, p=1.50 olarak bulunmuĢtur.
THE INFLUENCE OF BRITTLENESS ON INTERNAL STRUCTURE OF CONCRETES WITH LOW WATER/CEMENT RATIOS
SUMMARY
In this study, the effects of brittleness and other concrete properties on internal structure of concrete were examined in concretes with low water/cement ratios (w/c) and sensitivity of concrete properties to the pore structure of hardened cement paste were investigated.
For the 28 day old specimens the following 4 different grading curves were used ;A16-B16, B16, B16-C16, C16 and 4 different water/cement ratios (0.26, 0.30, 0.34, 0,38) were used for each grading curve. During this study, same materials were used for all concrete specimens. The mechanical tests (deformation tests, brittleness index tests etc.) on the hardened concretes were done at the 28th day. In addition the hydration degrees were calculated for each water/cement ratios.
In this study, 8 hardened concrete properties were investigated. These are; unit weight(), modulus of elasticity(E), cylinder compressive strength(fcs), unit shortening on compressive strength(εcu), fracture deformation energy(KEmaks), relative fracture energy(Ur), brittleness index(G.Ġ.) and engraving strength(TS). Two different variables called ‘’D1’’ and ‘’D2’’ were defined for the definition of the hardened concrete properties. Two sensitivity degrees called ‘’(SD1)i’’and‘’(SD2)i ‘’ were used for the definition of sensitivity of properties to the pore structure of hardened cement paste.
The investigations which made on brittleness index and relative fracture energy show us while the water/cement ratio increases the brittleness of concrete decreases. The influence of water/cement ratio on brittleness was not obtained from the hysteresis loops. We didn’t see any systematic relation on these loops when we changed water/cement ratio. Moreover a certain effect was not found of the grading of aggregate on the brittleness.
When the grading curve goes from A16-B16 to C-16 the compressive strength and the engraving strength increases, because when the granulometry becomes thinner the weak parts (coarse aggregate-cement paste region) are reduced. Similarly, when the granulometry becomes thinner unit shortening on compressive strength increases, because when the cement paste becomes thinner, it means the cement paste has more area in the concrete, so it increases the probability of microcracks.
Test results shown that, ‘’p’’, which is the ratio of the volume of cement gel to the volume of original anhydrous cement, is found 1.50.
1.GĠRĠġ 1.1. GiriĢ
Ġnsanoğlu binlerce yıl önce taĢı yapı malzemesi olarak kullanmaya baĢladığında, elinde iyi bir bağlayıcı malzeme olmadığından, uygulama sınırlı kalmıĢtır. Eski Grek, Ġyon ve Roma tapınaklarında belirli açıklıkların geçilmesinde tek parça taĢlardan oluĢan kiriĢler kullanılmıĢtır. Ancak taĢın çekme dayanımı düĢük olduğundan, geçilen açıklıklar sınırlı kalmıĢ ve büyük kesitler gerektiğinden, ağır elemanların taĢınması ve yerine konması büyük sorunlar yaratmıĢtır. Ġnsanoğlunun daha büyük açıklıklar geçme tutkusu onu yeni yapı sistemleri aramaya itmiĢ ve bunun sonucu olarak, farklı yapı sistemleri geliĢtirilmiĢtir. Kireç ve doğal çimento gibi bağlayıcıların bulunması ile daha dayanıklı yapılar inĢa edilebilmiĢtir.
Ġngiliz bir duvarcı ustası olan John Aspdin’ in 1824 yılında Portland çimentosunu bulmasıyla birlikte baĢlayan ve 1800’ lü yılların sonlarına doğru betonarme, 1930’ lu yıllarda da öngerilmeli beton yapı sistemlerinin geliĢtirilmeye baĢlanmasıyla devam eden süreçte beton, günümüzde Türkiye’ de ve dünyada en yaygın olarak kullanılan vazgeçilmez bir yapı malzemesidir. Beton özellikleri sürekli geliĢtirilmekte, kullanım alanları gittikçe artmakta ve yeni uygulama konuları gündeme gelmektedir. Özellikle betonun iç yapısı ve mekanik davranıĢının birlikte incelenip değerlendirilmesi araĢtırmalara yeni boyutlar kazandırmıĢtır.
Beton çimento, agrega, su ve bazen de katkı maddelerinin bir araya getirilmesiyle oluĢturulan kompozit bir malzemedir. Agrega betonun iskeletini oluĢturan kum, çakıl, kırmataĢ gibi taneli mineral malzemedir. Çimento ile su birleĢtirildiğinde oluĢan çimento hamuru ise, agrega tanelerinin yüzeyini kaplayarak ve taneler arasındaki boĢlukları doldurarak bağlayıcılık görevini yapar.
50Mpa) varan beton sınıflarını öngörmekle birlikte, TS11222 C100’ e kadar beton sınıflarını hedeflemektedir. Eurocode 2’ de normal beton sınıfları C80’ e varmakta, Avrupa’ da Almanya’ nın öncülüğünde C60 – C100 arasındaki beton sınıfları için yeni tasarım kodları geliĢtirilmektedir. Bu aralıktaki betonlar yüksek dayanımlı olarak kabul edilirler. 1960’ lı yıllarda basınç dayanımı bakımından alt sınır olarak 40Mpa tanımlanan yüksek mukavemetli betonun günümüzde 100Mpa’ a kadar olanlarının rutin olarak hazır beton tesislerinde üretilmesi artık söz konusudur; hatta 100Mpa ~ 120Mpa dayanım değerine sahip betonlar da bazı yapılarda kullanılmıĢtır[1]. Yapılan araĢtırmalarda basınç dayanımı 150Mpa’ ı aĢan betonların üretilebildiği bilinmektedir. Ancak 100Mpa’ ı aĢan basınç dayanımına sahip betonları üretmek hem pratik hem de ekonomik değildir. Bu yüzden çok yüksek dayanımlı betonlar yerine dayanımları bu değerlerin altında fakat daha düĢük geçirimliliğe sahip, donma-çözülmeye ve zararlı ortamların etkisine dayanıklı betonları ülke genelinde kullanmak daha gerçekçi bir yaklaĢım olacaktır.
Betonun dayanımı yanında durabilitesinin de yeterli olması beklenir ve geçirimsiz olması istenen bir betonun durabilitesinin de yeterli olacağı söylenebilir. Geçirimli ve boĢluklu bir beton içindeki çeliği koruyamaz. KarbonatlaĢma ve klor nedeni ile oluĢan çelik korozyonu betonarme yapıda dayanım açısından azalmaya sebep olur. Sismik yüklemeler altında korozyon nedeni ile oluĢan çatlaklar daha da ilerler ve dayanım daha da azalır. Aktif fay hatları üzerinde yer alan Türkiye gibi ülkelerde, depremle korozyon arasında doğrudan bir iliĢki vardır.
Betonun yüksek mukavemet değerlerine su/çimento oranının düĢürülmesiyle eriĢebileceği açıktır. Su/çimento oranının, süperakıĢkanlaĢtırıcı katkı maddeleri kullanarak azaltılması daha düĢük poroziteye sahip malzemenin elde edilmesini sağlayacaktır. Öte yandan beton ve betonarme yapıların deprem gibi dinamik etkiler karĢısındaki performansını belirleyen en önemli etkenlerden biri, aslında yarı-gevrek bir malzeme olan betonun bu etkiler karĢısında ne ölçüde gevrek davranıĢ gösterdiğidir. ĠĢte bu çalıĢmada gevrekliğin ve diğer beton özelliklerinin beton iç yapısıyla olan iliĢkisi düĢük su/çimento oranlı betonlar için incelenmiĢ, beton özelliklerinin sertleĢmiĢ çimento hamurundaki boĢluk yapısına duyarlılığı araĢtırılmıĢtır.
Sonuç olarak tüm bu anlatılanlar çerçevesinde, betonun çatlaması, kırılması, betonun iç yapısı ile mekanik davranıĢı arasındaki iliĢkinin saptanması büyük önem kazanmaktadır. Ülkemizin önemli alt yapılarında kullanılacak olan betonların hem yüksek dayanımlı hem de ekonomik olması için, iç yapı ve mekanik davranıĢ bakımından, en yeni teknikler kullanılarak incelenmeleri önemli yararlar sağlayacaktır. Böylece Türkiye gibi geliĢmekte olan ülkelerde kaynakların daha gerçekçi ve akılcı kullanımı söz konusu olabilecek, aynı zamanda ülke genelindeki yapılarda kullanılan betonların dayanımları, bir deprem ülkesi olan Türkiye için, geliĢmiĢ ülkelerdeki seviyelere çıkarılabilecektir.
2. LĠTERATÜR ÇALIġMASI
2.1. Beton ve Temel Özellikleri
Beton, agrega adı verilen (kum, çakıl,mıcır vb.) taneli mineral malzemenin onları birbirine yapıĢtıran çimento ve su ile karıĢtırılması sonucu meydana gelir[2]. Agrega ve çimento hamurundan meydana gelen beton kompozit bir malzemedir. Genellikle bu karıĢımın hacimce yaklaĢık olarak %70’ ini meydana getiren agrega, betonun iskeletini oluĢturan kum, çakıl, kırmataĢ gibi taneli mineral malzemedir. Çimento hamuru ise agrega parçacıklarının etrafını sarar ve bu parçacıkların arasındaki boĢlukları doldurur. Çimento hamuru taze iken taneler arasındaki sürtünmeyi azaltarak yağlayıcı madde görevi görür ve böylece taze karıĢımın iĢlenebilirliğinde önemli rol oynar. SertleĢtiğinde ise agrega parçacıklarını birbirine bağlar ve genellikle sertleĢmiĢ betonun dayanım ve dayanıklılığında en önemli belirleyicidir. Betonun mekanik davranıĢı, özellikle dayanım ve kırılma gibi en önemli ve karmaĢık özellikleri, sertleĢmiĢ çimento hamuru yapısı ile çok yakından ilgilidir[3].
Her betonda mutlaka olması istenen üç temel özellik vardır. Bunlar:
ĠĢlenebilirlik: ĠĢlenebilirlik taze beton özellikleri arasındadır. Taze beton kolay karıĢtırılabilmeli, kolay yerleĢtirilebilmeli, bununla beraber taĢınırken ve yerleĢtirilirken ayrıĢmayıp, homojenliğini kaybetmemelidir [4].
Dayanım (Mukavemet): SertleĢmiĢ beton özelliği olup beton taĢıyıcı bir malzeme olması sebebiyle projede belirtilen dayanımı sağlamalıdır.
Dürabilite(Dayanıklılık): DıĢ etkilere dayanıklılık yine sertleĢmiĢ bir beton özelliğidir. Hava, su ya da donma-çözülme, ıslanma-kuruma gibi fiziksel etkiler veya kimyasal çevre etkileri ve bunun yanı sıra mikroyapıda yani betonun
2.2. Betonun Ġç Yapısı
Betonun iç yapısı ile ilgili birçok çalıĢma yapılmaktadır. Beton özellikleri betonun iç yapısıyla yakından ilgilidir. Ġç yapının beton özelliklerine etkisi, betonu oluĢturan malzemelerin iç yapıyı nasıl değiĢtirdikleri, bu malzemeler arasındaki ara yüzeylerin özellikleri anlaĢıldıkça istenen Ģartları sağlayacak malzemeler üretmek daha kolay olacaktır[5].
Çimento hamuru – agrega ara yüzeyinin betonun mekanik özelliklerine etkisini inceleyebilmek için beton, sertleĢmiĢ çimento hamuru, agrega ve agrega ile çimento hamurunun temas yüzeyinden oluĢan üç fazlı kompozit bir malzeme olarak göz önüne alınabilir[6]. Betonun ve sertleĢmiĢ çimento hamurunun mekanik özellikleri, hidrate çimentonun kimyasal yapısından ziyade, hidrate ürünlerin fiziksel yapısına bağlıdır. Bu sebepten çimento jelinin fiziksel özelliklerinin doğru Ģekilde belirlenmesi, bu yapının mekanik davranıĢı ve dürabilitesinin daha iyi açıklanabilmesi açısından oldukça önemlidir.
2.2.1 Hidratasyon Olayı ve Olayın Genel Özellikleri
Hidratasyon, çimentoyu oluĢturan karmaĢık bileĢimlerin su ile yaptığı kimyasal reaksiyon olarak tanımlanabilir[7]. Hidratasyon olayının üç önemli özelliği vardır. Bunlardan birincisi çimentonun öğütülmemiĢ iken su karĢısında reaksiyon yapmamasıdır. Çimentonun hidratasyon olayını yapabilmesi için gayet ince bir Ģekilde öğütülmesi gereklidir.
Hidratasyonun ikinci önemli özelliği bu olayın zamanın bir fonksiyonu olmasıdır. BaĢka bir deyiĢle çimentodaki bileĢimlerin su ile yaptıkları kimyasal reaksiyon kısa zamanda sona eren bir reaksiyon değildir, tam aksine senelerce süren bir olaydır. Hidratasyon olayının üçüncü özelliği bunun ekzotermik bir olay olmasıdır. Bunun anlamı hidratasyon olayı sırasında çimento hamurundan dıĢarıya ısı verilmesidir. Hidratasyon ısısı hidratasyon devam ettiği sürece artar. Hidratasyon tamamlanınca bu artıĢ sona erer.
Herhangi bir sıcaklık altında Portland çimentosunun prize baĢlaması ve sertleĢmesi, hamur içerisinde oluĢan ‘’jel’’ ile birlikte geliĢen bir olaydır[8]. Portland çimentosunun priz baĢlangıcını ve sertleĢme mekanizmasını oluĢturan dört aĢama ġekil 2.1’ de gösterilmektedir.
ġekil 2.1 Portland çimentosunun sertleĢme mekanizmasını gösteren dört aĢama: a) Su ile temas b) Hidratasyon baĢlangıcı c) JelleĢme(priz) d)SertleĢmiĢ çimento hamuru
Çimento ve suyun karıĢtırılması çimento tanelerinin su içerisinde dağılmalarını sağlar(ġekil 2.1-a). Çimento tanelerinin su içerisindeki dağılımının homojen olması ve flokülleĢme olmadan sağlanması için su/çimento oranının 0.30 ~ 0.70 arasında olması önerilir. Buna rağmen günümüzde akıĢkanlaĢtırıcı katkı maddeleri kullanılarak su/çimento oranını düĢürmek mümkün olmaktadır. Çimentonun su ile temas ettiği andan itibaren ilk önce çimento taneleri üzerinde hidratasyon ürünlerinin oluĢturduğu yüzey tabakası oluĢur. Bu tabaka, kısmen çimento tanesinin hidrate olan kısmı ve kısmen de su içerisinde olacak Ģekilde bir hacim kaplar (ġekil 2.1-b). Bir sonraki aĢamada, çimento tanelerinin etrafında oluĢan hidratasyon ürünleri
baĢlar(ġekil 2.1-c). Priz baĢlangıcı olarak da kabul edilen bu aĢama sonrası, çimento hamuru hidratasyon ürünlerinin birbirleri içine geçmesi ile yoğunluğu giderek artan bir kütle halini alır(ġekil 2.1-d).
SertleĢmiĢ çimento hamur yapısının basit bir modeli ġekil 2.2.’ de gösterilmektedir.
ġekil 2.2 SertleĢmiĢ çimento hamuru yapısının basitleĢtirilmiĢ bir modeli
Üstteki Ģekil w/c = 0.50 olan, alttaki Ģekil ise w/c = 0.30 olan hidratasyonunu tamamlamıĢ çimento hamuru iç yapısını göstermektedir. ġekillerde siyah bölgelerin oluĢturduğu kütle çimento jelini, C ile gösterilen beyaz bölgeler kapiler boĢlukları ve
Hidratasyonun baĢlaması ile birlikte, hidrate olmamıĢ tanelerin yüzeylerinden dıĢarı ve tanenin içerisine doğru geliĢen hidratasyon ürünleri oluĢur. Bunlardan birincisine ‘’dıĢ ürün’’ ve ikincisine ‘’iç ürün’’ denilebilir. Hidrate C3S üzerinde yapılan incelemelerde [9,10], oluĢan iç ürünün dıĢ ürüne göre daha az boĢluklu bir yapıya sahip olduğu görülmüĢtür. Ġç ve dıĢ ürünler arasında kalan bölgenin henüz tam olarak anlaĢılamadığı, fakat, hidratasyon olayında bu bölgenin önemli bir rol üstlendiğinin açık olduğu belirtilmiĢtir.
2.2.2 Hidratasyon YapmıĢ Çimentonun Ġç Yapısı
Hidratasyon ve onu izleyen katılaĢma olayı sonunda sertleĢmekte olan çimento hamurunun iç yapısı, bu konuda değiĢik türde elektronik mikroskoplarla yapılan incelemeler sonunda belirlenmiĢtir. Bu yapıda öncelikle hidratasyon sonunda meydana gelen hidrate elemanlar yer almaktadır. Bunlar geliĢmesini tamamlamamıĢ ve bu nedenle düzenli bir kristal yapıya kavuĢamamıĢtır. Bu bakımdan bu hidrate elemanlar iç yapısı jel ile kristal yapı arasında olan kristalit denilen yeni bir içyapı türü oluĢturmaktadır. Bilindiği gibi hidratasyon ürünü olarak bir de hekzogonal kristal Ģeklinde serbest kireç veya portlandit elemanları mevcuttur. Hidratasyon sonunda meydana gelen bütün bu cisimler aralarında muhtelif türde boĢluk bırakarak bir araya gelmiĢ durumdadır. Kısacası sertleĢmiĢ çimento hamurunun gayet belirgin boĢluklu bir içyapısı vardır.
2.2.3 SertleĢmiĢ Çimento Hamuru Ġçerisindeki BoĢluklar
Beton gibi kompozit malzemeler değiĢik tür ve büyüklükte boĢluklar içerirler. Bu boĢluklar malzemenin birim ağırlığını, su emmeyi, geçirimliliği, dona dayanıklılığı, mukavemeti, ısı ve ses yalıtımını önemli derecede etkiler[11]. Bir boĢluğun büyüklüğü içine sığabilen en büyük kürenin çapı ile belirtilir.
Mindess ve arkadaĢları[12] hidrate çimento hamuru içerisindeki boĢlukları boyutlarına göre 3 farklı gruba ayırmıĢtır(Tablo 2.1).
Tablo 2.1 Hidrate çimento hamuru içerisindeki boĢlukların sınıflandırılması[10]
BoĢluk Tipi Boyutları Tanımı
BoĢluk Ġçerisindeki Suyun Etkisi Hamurun Etkilendiği Özellikler SürüklenmiĢ
Hava BoĢluğu 0.1 – 1.0 mm Yuvarlak Kesitli BoĢ Dayanım
Kılcal BoĢluklar 10 – 0.005m Büyük Kılcal BoĢluklar Serbest Su Dayanım Geçirimlilik 50 –10 nm Orta Büyüklükteki Kılcal BoĢluklar
Orta kuvvette yüzey gerilim kuvveti yaratır Dayanım Geçirimlilik Yüksek Rutubet Değerlerinde Rötre Jel BoĢlukları 10 – 2.5 nm Jel BoĢlukları (Küçük Kılcal BoĢluklar) Güçlü yüzey gerilim kuvveti yaratır %50 bağıl nemde rötre
2.5 – 0.5 nm Mikro BoĢluklar Güçlü adsorbe
edilmiĢ sudur Rötre Sünme
<0.5 nm Kristaller Arası BoĢluklar
Bağlar içerisindeki
yapısal sudur Rötre Sünme
2.2.3.1 Hava BoĢlukları
Hava boĢlukları beton içerisinde isteğe bağlı olarak hava sürükleyici katkılar yardımı ile oluĢturulan hava boĢlukları, fazla karma suyunun buharlaĢması sonucunda oluĢan hava boĢlukları ya da karıĢtırma sonucu oluĢan düzensiz yapıdaki hava boĢlukları Ģeklinde olabilirler[2]. Hava boĢlukları hamur içerisinde hava kabarcıkları Ģeklinde bulunduklarından, bunların miktarını ve hamur içerisindeki dağılımını karıĢımın su/çimento oranı değil, kullanılan katkı tipi, karıĢtırma koĢulları (karıĢtırma süresi, hızı, ortam koĢulları vb.) ve kalıba yerleĢtirme sırasında uygulanan yerleĢtirme Ģekli ve süresi belirler [13]. Hava boĢlukları, kılcal ve jel boĢluklarına göre daha büyük
boyutta olduklarından hava boĢluklarının artması betonun dayanımını olumsuz yönde etkiler. Öte yandan hapsolmuĢ hava boĢlukları beton içerisindeki kılcal boĢlukların yollarını kestiğinden bu bölgelerde hazne görevi görüp, betonun kılcal geçirimliliğini düĢürür, dolayısıyla durabilitenin artmasına neden olur.
2.2.3.2 Kılcal BoĢluklar
Jeli oluĢturan mikroyapı içerisinde, hidrate olmamıĢ taneler ile iç ve dıĢ olarak adlandırdığımız hidratasyon ürünlerinin varolduğu daha önce Bölüm 2 paragraf 2.2.1’ de belirtilmiĢti. DıĢ ürünler su ile dolu olan boĢlukları doldurur. Ġç ürünler ise orijinal C3S veya çimento tanesinin sınırlarından içeriye doğru ilerler. SertleĢmiĢ C3S veya Portland çimentosu hamuru içerisindeki dıĢ C-S-H ürünleri lifsi ve doğrusal bir yapıya sahiptir. Bu lifler arasındaki boĢluklar hamurun dayanımı ve dürabilitesi açısından esas önemi oluĢturan kılcal boĢlukları meydana getirmektedir[14]. Kılcal boĢlukların hacimleri hidratasyon süresince azalmakta, bunun yanında jel hacmi ve dolayısıyla jel boĢlukları artmaktadır.
Kılcal boĢlukların miktarları ve Ģekilleri çimentonun hidratasyon derecesine, su/çimento oranına, katkı kullanımı ve kür koĢullarına göre değiĢim göstermektedir. Khatib ve arkadaĢları [15], sabit su/çimento oranı ve akıĢkanlaĢtırıcı katkılı ve katkısız hazırladıkları çimento hamurları üzerinde, değiĢik kür koĢullarında hamurun boĢluk yapısını civalı porozimetre ölçümleri ile incelemiĢlerdir. Numunelerin üretiminde kullandıkları su/çimento oranı 0.45 gibi hamur için yüksek bir oran olarak kabul edilebilmesine rağmen, hamur içerisindeki toplam boĢluk miktarının akıĢkanlaĢtırıcı katkı kullanımı ile birlikte azaldığını ve bu azalmanın numuneye uygulanan kür koĢullarına göre %8.5 %26 arasında değiĢtiğini belirtmiĢlerdir. Öte yandan Oddler ve arkadaĢları [16], farklı su/çimento oranlarında ve değiĢik sıcaklık ve sürelerde küre tabi tutulmuĢ çimento hamurlarının dayanımlarına boĢluk yapısı ve hidratasyon derecesinin etkisini incelemiĢlerdir. AraĢtırmacılar sabit porozitede çimento hamuru dayanımının hidrate ürünlerin artması ile arttığını, hidrate olmamıĢ tanelerin tükenmesinin dayanımı olumlu yönde etkilediğini, fakat bu etkinin porozitenin yarattığı olumsuz etkiye göre daha az olduğunu belirtmiĢlerdir.
beton numunesinin dıĢarıdan su alması mümkün olsa bile bu su sadece kılcal boĢluklara dolacaktır. Buna karĢın çimento tanelerinin hidratasyonu tamamlandığından bu boĢluk hacimlerinin hidratasyon ürünleri ile dolması mümkün olmamaktadır. Dolayısıyla bu boĢluklar kısmen boĢ, kısmen de su ile dolu boĢluklar olarak sertleĢmiĢ hamur içerisinde kalır. Sonuç olarak karıĢımın su/çimento oranı arttıkça, hamur içerisindeki kılcal boĢluklar da artacağından hamurun dayanımı ve dürabilitesi düĢmektedir.
2.2.3.3 Jel BoĢlukları
Hidratasyon ürünlerinin oluĢması ile birlikte meydana gelen jel yapı, büyük miktarda buharlaĢabilen su içerir. BuharlaĢabilen su jelin boĢluklu bir yapıya sahip olmasına neden olmaktadır. Jel boĢlukları toplam jel hacminin yaklaĢık %28’ ini oluĢturmaktadır [17]. Hidratasyon ilerledikçe jel miktarı artar, böylece jelin yapı içerisinde kapladığı hacim artarken kılcal boĢlukların hacmi azalır. Jelin porozitesinin gerçek değeri seçilen çimentonun karakteristiğine bağlı olup, bu değer hazırlanan karıĢımın su/çimento oranına ve hidratasyonun geliĢimine hemen hemen hiç bağlı değildir [18]. Bu ifadeden hidratasyonun her aĢamasında jel yapının aynı özellikleri gösterdiği, ilerleyen hidratasyonun jel yapısını değiĢtirmediği sonucu çıkarılabilir.
Hidratasyonun devam etmesi ile jel hacmi artar ve hidratasyon sonucunda oluĢan jel çok büyük bir özgül alana sahip olur. Yapılan araĢtırmalar ile jelin özgül yüzey alanı yaklaĢık 200000 m²/kg olarak belirlenmiĢtir. Hidrate olmamıĢ çimentonun özgül yüzey alanının 200 500 m²/kg olduğu göz önüne alınırsa, hidratasyon sonucunda bu alanın yaklaĢık 400 1000 kat arttığı görülmektedir. Bu noktadan hareketle jelin yüzeylerinde oldukça fazla su adsorbe edebilme kapasitesine sahip olduğu söylenebilir.
2.2.4 SertleĢmiĢ Çimento Hamuru Ġçerisindeki Su
Böyle bir boĢluk yapısına sahip bulunan çimento hamurunda bulunan suyu buharlaĢamayan su ve buharlaĢabilen su olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür[7]. BuharlaĢamayan su, çimento jeli yapısı içerisinde kimyasal olarak bağlanan ve hidratasyon ürünleri tarafından tutulan su olarak tanımlanabilir. Buna
ve serbest kireci (Ca(OH)2 ) meydana getiren su bu gruptandır. BuharlaĢamayan su miktarı bize çimentonun hidratasyon derecesi hakkında bilgi verir. Bu su miktarını bulabilmek için numune önce 105 ºC sıcaklıkta bekletilerek buharlaĢabilen suyun uzaklaĢtırılması gerekir. Bu iĢlemin ardından numune 1000 ºC‘ de kızdırılarak ağırlık kaybı ölçülür. BuharlaĢamayan su miktarının tespiti ve hidratasyon derecelerinin belirlenmesi ile ilgili ayrıntılı bilgi Bölüm 4 paragraf 4.4‘ de verilmektedir.
BuharlaĢabilen su ise çimento hamurunun yukarıda açıklanan boĢluklarına yerleĢmiĢtir. Bu boĢlukların durumuna göre buharlaĢabilen su üç türde bulunmaktadır:
a – Serbest Su
Bu çimento hamurunun veya betonun makro boĢluklarında yerleĢen sudur. BuharlaĢma yolu ile kolaylıkla betondan ayrılmaktadır.
a – Kılcallık Suyu
Çimento hamurunun kılcal boĢluklarında bulunan sudur. a – Jel Suyu
Çimento hamurunun mikro veya jel boĢluklarında yer alan su jel suyudur. Bu su jel elemanları tarafından adsorbsiyon(emme) yolu ile tutulmuĢ bulunmaktadır.
BaĢlangıçta henüz çimento priz yapmamıĢ iken konulan su tamamen buharlaĢabilen su halindedir. Prizini yapmıĢ çimento hamuru rutubet derecesi düĢük bir ortamda tutulduğu zaman önce serbest su buharlaĢarak çimentodan ayrılır. Bunu aynı Ģekilde kılcallık suyunun buharlaĢarak çimento hamurunu terk etmesi izler. Böylelikle çimento hamurundan veya betondan buharlaĢabilen suların ayrılmasıyla malzemenin ağırlığında bir azalma olur. Fakat zamanla hidratasyon olayının geliĢmesi ile suyun bir kısmı buharlaĢamayan su halini alır. Bu durumun sonucu olarak serbest su ile kılcallık(kapilarite) suyu devamlı bir azalma gösterirken, buharlaĢamayan suyun ve jel suyunun miktarı önemli bir artıĢ gösterir. Zira jel suyu hidratasyon sonunda meydana gelen elemanların adsorbsiyon (emme) yolu ile tuttuğu sudur. Hidratasyon
2.3 Bağlayıcı Hamurun Betonun Mekanik Özelliklerine Etkisi
ĠnĢaat mühendisliği uygulamalarında en yaygın yapı malzemesi olarak kullanılan betondan beklenilen üç temel nitelik aĢağıda verilmektedir.
a-) ĠĢlenebilirlik b-) Dayanım c-) Dürabilite
ĠĢlenebilirlik bir taze beton özelliği olup, dayanım ve dürabilite (çevre koĢullarına karĢı dayanıklılığı) ise sertleĢmiĢ betonun iç yapısına bağlı niteliklerdir.
Beton iç yapısının kompozit malzeme yaklaĢımı ile çimento hamuru, agrega ve agrega ile çimento hamuru arasındaki ara yüzey olmak üzere üç fazdan oluĢtuğu daha önce belirtilmiĢtir[6]. Dolayısıyla bağlayıcı hamur yapısının betonun mekanik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olacağı açıktır. Betonun davranıĢının incelenmesi ve modellenebilmesi için öncelikle çimento hamurunun davranıĢını anlamak gereklidir. Bu bölümde bağlayıcı hamurun betonun mekanik özelliklerine etkisi, jel/hacim oranı, su/çimento oranının değiĢimi, agrega ile çimento hamuru ara yüzeyinin etkisi ve porozite olmak üzere açıklanmaktadır.
2.3.1 Jel / Hacim Oranı
Anhidr durumdaki çimento tanecikleri kristal ve amorf karıĢımı bir yapıya sahiptir. [19].Çimento taneciklerinin su ile karıĢması sonucu ‘’taze çimento hamuru’’ meydana geleceği ve su ile temas eden taneciklerin yüzeyinde hidratasyon olayının baĢlayacağı daha önce belirtilmiĢti. Hidratasyon olayı sonucu meydana gelen hidratasyon ürünleri tam olarak kolloidal bir yapıya sahip olmasa da, genel olarak jel adını alır. Hidratasyon olayı sonucunda bu jelin oluĢması, gittikçe azalan bir hızla, fakat yıllarca sürer. Hidratasyon sona erdiğinde, 1cm³ anhidr Portland çimentosu yaklaĢık olarak 2,06 cm³ jele dönüĢür. Böylece taneciklerin yüzeyinde oluĢan jel, taze çimento hamurunda su ile dolu olan hacmin bir bölümünü de kaplar. Ancak yine de jelle doldurulamayan kısımlar (kılcal boĢluklar) kalabilir.
Hidratasyonun herhangi bir anında, jelin hamur yapısı içinde ne oranda yer tuttuğu konusunun, betonun basınç mukavemeti açısından belirleyici bir rol oynadığı Powers – Brownyard [20] tarafından düĢünülmüĢ ve bu büyüklük ‘’ jel/hacim oranı ‘’ olarak tanımlanmıĢtır.
Yukarıda belirtildiği gibi, 1cm³ Portland çimentosunun tam hidratasyon sonunda, yaklaĢık 2,06 cm³ çimento jeli oluĢur. Eğer kuru ağırlığı C, özgül ağırlığı ç , hidratasyon derecesi olan bir miktar çimentonun, hepsi değil de, (0<<1) kadar bir kesri hidrate olmuĢ ise, bu takdirde meydana gelen jel hacmi;
Vj = 2,06.(C/ ç). (2.1)
olur. Hiç hava boĢluğu içermeyen bir çimento hamurunda, belirli bir hidratasyon derecesinde, oluĢabilecek jele ayrılabilecek maksimum hacim, baĢlangıçta su ile dolu hacim (w) ile, çimento taneciklerinin hidrate olmuĢ dıĢ kısımlarının (C/c ). hacminin toplamından ibarettir. ĠĢte Jel/Hacim oranı (X), herhangi bir andaki mevcut jel hacminin jele ayrılabilecek bu maksimum hacme oranı olarak tanımlanmaktadır.
Ancak çimento hamurunda genellikle bir miktar hava (hapsolmuĢ veya özellikle bir katkı maddesi koyarak sürüklenmiĢ) da bulunur. Bu bakımdan, jele ayrılabilecek hacim içinde bu hava boĢluğunu da düĢünmek gerekir. Eğer 1m³ yerleĢmiĢ beton veya harcın bağlayıcı hamur fazı içinde bulunan hava hacmi a, çimento dozajı C,1m³ yerleĢmiĢ beton veya harçtaki karma suyu hacmi w ise, tarif biraz değiĢerek Ģu hali alır. / . 2.2 . / . 06 , 2 w c C c C X / . 2.3 . / . 06 , 2 a w c C c C X
Bu bağıntıya göre jel/hacim oranının artması, hamur içerisindeki kılcal boĢluk hacimlerinin giderek dolduğunu ifade eder. Jel/hacim oranının 1 olması ise jelin hamur içerisindeki tüm kılcal boĢluk hacimlerini doldurduğunu gösterir. Dolayısıyla jel/hacim oranının 1 olması çimento hamurunun maksimum kompasiteye sahip olması, böylece yüksek dayanım elde edilebilmesi anlamına gelir. Powers tarafından elde edilen, jel/hacim oranı ile basınç dayanımı arasındaki iliĢkiyi gösteren grafik ġekil 2.3’ de gösterilmektedir.[20]
ġekil 2.3 Jel/Hacim oranı ile dayanımlar arasındaki iliĢki[21]
Bu grafikten, dayanımın jel/hacim oranının kübü ile orantılı olduğu ve dayanımın c = 234x3 bağıntısı ile ifade edilebileceği sonuçları elde edilmiĢtir. Bağıntıda x yerine 1 konulduğunda (tüm boĢlukların jel ile dolması durumu) jelin kendi dayanımının 234 Mpa olduğu görülmektedir.
Jel/hacim oranını veren formül incelendiğinde (Formül 2.8), oranın değiĢimini etkileyen faktörlerin çimentonun hidratasyon derecesi ve karıĢımın su/çimento oranı olduğu görülmektedir. Hidratasyonun ilerlemesi ile birlikte hidrate ürünlerin hacimleri artacağından bu oran giderek büyür. Dayanım ve jel/hacim oranı arasındaki bağıntı için Lam ve arkadaĢları[21], Portland çimentosu ve Portland çimentosu + uçucu kül karıĢımı ile ürettikleri hamurlardaki hidratasyon derecelerini hesaplayarak araĢtırmalar yapmıĢlardır. Bu araĢtırmalar sonunda elde edilen grafik ġekil 2.4’ de verilmektedir.
ġekil 2.4 Portland çimentosu ve uçucu küllü çimento hamurlarında jel/hacim oranı ile basınç dayanımları arasındaki iliĢki[21].
Söz konusu grafik incelendiğinde uçucu küllü çimento hamuru ile Portland çimentosu ile üretilen hamurlarına ait grafiklerin hemen hemen çakıĢtığı görülmüĢtür. DüĢük jel/hacim oranlarında, uçucu kül içeren hamurların dayanımlarının Portland çimentosu ile üretilen hamurların dayanımlarına göre bir miktar daha yüksek çıktığı, fakat bu oranın büyümesi ile dayanımların çakıĢtığı görülmektedir.
2.3.2 Su/Çimento Oranının Etkisi
Mühendislik uygulamalarında belirli bir yaĢa gelmiĢ beton ya da çimento hamuru numunelerinde dayanıma etki eden iki önemli faktör söz konusudur. Bunlar karıĢımın su/çimento oranı ve karıĢımın kalıp içersindeki sıkıĢtırılma oranıdır[18]. Abrams ve Feret boĢluk miktarının ve baĢlangıç su/çimento oranının betonun dayanımı üzerindeki önemini ilk olarak ifade eden araĢtırmacılardır[13,18]. AraĢtırmacılardan Duff Abrams 1919 yılında betonun basınç dayanımı ile su/çimento oranının ters orantılı olduğunu gösteren bir bağıntı elde etmiĢtir. K ve A nümerik sabitler olup, w/c su çimento oranını ifade etmek üzere, Abrams bağıntısına göre dayanım, c ,
olarak verilmektedir. Feret bağıntısına göre dayanım, c ,
bağıntısı ile ifade edilmiĢtir. Bu bağıntıda c,çimento hacmi, w, su hacmi ve a, karıĢımdaki hava hacmi olup, parantez içindeki ifade çimento konsantrasyonunu vermektedir. Abrams’ ın bağıntısı René Feret’ in 1896 yılında oluĢturduğu bağıntı ile benzerlik göstermektedir. Her iki araĢtırmacıda beton dayanımının su ve çimento hacmi ile iliĢkili olduğunu gösteren sonuçlar elde etmiĢlerdir. Neville[18] dayanım – su/çimento iliĢkisinin genel bir grafiğini ġekil 2.5’ deki gibi vermektedir.
Wittmann ve arkadaĢları [22], yaĢın, su/çimento oranının ve yükleme hızının betonun kırılma enerjisi üzerindeki etkisini araĢtırmıĢlardır. Farklı su/çimento oranına (0.40, 0.50 ve 0.60) sahip beton numuneleri üzerinde yapılan deneylerde, kırılma enerjisinin, elastisite modüllerinin ve çekme dayanımlarının su/çimento oranının artmasıyla belirgin bir Ģekilde azaldığı sonucu elde edilmiĢtir.
4 . 2 . w/ c c K A 2.5 2 a w c c K c
ġekil 2.5 Dayanım ve su/çimento oranı arasındaki iliĢki[18].
Seki ve arkadaĢları [23] etkin su/çimento oranı olarak tanımladıkları hidrate olmuĢ çimento ağırlığı ve karıĢım suyu arasındaki oran ile beton basınç dayanımları arasında lineer bağıntılar tanımlamıĢlar ve çimentonun hidratasyon derecesi ile dayanımlar arasında çok güçlü bağıntılar olduğunu görmüĢlerdir. Betonun dayanımının sadece su/çimento oranı büyüklüğüne bağlı olmayıp, bu oranın nasıl değiĢtiğine de bağlı olduğunu ifade eden Popovics[24], betonda su miktarı sabit tutulduğunda, karıĢıma eklenen çimento miktarı arttırıldıkça çimentonun yararının azaldığını görmüĢtür. AraĢtırmacıya göre betonun dayanımının değiĢimi sadece su/çimento oranı büyüklüğüne bağlı olmayıp, bu oranın nasıl değiĢtiğine de bağlıdır. Betondaki su/çimento oranı Ģu Ģekilde değiĢtirilebilir[25]:
1. Su miktarını sabit tutarak, çimento miktarını değiĢtirmek; betonun kıvamını çok fazla değiĢtirmez ve dayanımın daha büyük değiĢim göstermesine neden olur. 2. Çimento miktarını sabit tutarak su miktarını değiĢtirmek; beton kıvamını aĢırı
derecede değiĢtirir ve dayanım üzerinde daha az etkilidir. 3. Hem çimento hem de su miktarını birlikte değiĢtirmek.
SU/ÇĠMENTO ORANI B ASIN Ç DA YA NI MI SIKIġTIRMA ELLE VĠBRASYON ĠLE SIKIġTIRMA TAM KOMPAKSĠYON YETERĠNCE SIKIġMAMIġ BETON
Su/çimento oranı ne kadar yüksekse, çimento hamuru o kadar sulandırılmıĢ bir hal almaktadır. BaĢka bir deyiĢle hidratasyonun herhangi bir aĢamasında çimento hamuru yüksek su/çimento oranlı betonlarda düĢük su/çimento oranlı betonlara göre daha zayıftır. DüĢük su/çimento oranlı betonlar yüksek dayanımlı olmalarının yanı sıra büyük sertleĢme hızına ve yüksek ilk sertleĢme oranına sahiplerdir. DüĢük su/çimento oranlı betonlar, hidratasyon ürünlerinin küçük boyutlu olmalarından dolayı nispeten küçük özgül yüzeyli ve oldukça yoğun görünüĢlüdür. Bağlayıcı hidratasyon ürünlerinin yapısındaki bu değiĢikliklerden dolayı, su/çimento oranının azalması ile birlikte bağlanma kapasitesi belirgin bir Ģekilde artmaktadır. Dolayısıyla düĢük su/çimento oranlı betonlarda yada sertleĢmiĢ çimento hamurlarında görülen yüksek dayanım ve diğer olumlu özelliklerin nedeni olarak, kılcal boĢlukların zararlı etkilerinin giderilmesi ile beraber hidratasyon ürünlerinin düĢük porozite ve yüksek bağlanma kapasitesine sahip olması da gösterilebilir.
2.3.3 Agrega-Çimento Ara Yüzeyinin Ġç Yapısı
Beton, agrega, çimento hamuru ve agrega-çimento hamuru temas yüzeyinin oluĢturduğu üç fazlı kompozit bir malzeme olarak göz önüne alındığında malzeme özelliklerinin sadece bileĢenlerin özelliklerine bağlı olmadığı görülebilir. Bundan dolayı heterojen bir malzeme olan betonun dayanımı 3 faktörden etkilenmektedir[25].Bunlar:
i) Matrisin (çimento hamurunun) dayanımı ii) Agreganın dayanımı
iii) Ara yüzeyin(geçiĢ bölgesinin) dayanımı
Bu faktörlerin her birinin çeĢitli sınıflardaki betonların dayanımlarında etkileri farklıdır. Ancak agrega – çimento ara yüzeyi betondaki en zayıf halka olarak kabul edilmektedir. Beton içindeki agreganın tipi, en büyük boyutu, granülometrisi ve agreganın yüzey pürüzlülüğü farklı beton karıĢımları için geniĢ bir aralık oluĢturulabilir. Ġri agreganın hemen yanındaki hidrate olmuĢ çimento hamurunun iç yapısı ile agregadan uzaktaki çimento hamurunun iç yapısı aynı değildir.[12] Bu da betonun mekanik davranıĢı ve dürabilitesi açısından oldukça etkili bir içyapı özelliğidir.
Ara yüz temas bölgesi ya da geçiĢ bölgesi adı verilen bu bölgenin mikroyapısı ile ilgili çeĢitli modeller öne sürülmüĢtür. Bu modellerden biri olan Barnes’ ın önerdiği modele göre geçiĢ bölgesinin iç yapısı Ģu Ģekildedir:
i) Agrega yüzeyine dik doğrultuda C-H filmlerinin birikmesi
ii) Saç fırçasını andıran uzamıĢ C-S-H tanelerinden oluĢan bir film ile örtülmesi
iii) Agrega yüzeyine paralel doğrultuda geniĢ C-H kristallerinin birikmesi iv) Temas yüzeyinde C-H ile dolu hacim formasyonu (ġekil 2.6).
ġekil 2.6 GeçiĢ bölgesinin mikroyapısı.
Bir baĢka araĢtırmacı Zimbelmann[26] ise ara yüzeyin mikroyapısını Ģu Ģekilde açıklamaktadır:
Çimento su ile karıĢtırıldıktan birkaç dakika sonra agrega yüzeyinde etrenjit iğneleri görülür. Agrega yüzeyine dik doğrultuda oluĢan C-H kristalleri bu etrenjit iğnelerini kaplarlar. C-H kristal tabakasının kalınlığı 23 m kadardır. Bu tabakadan sonra büyük hegzagonal biçimli C-H panel kristalleri oluĢmaya baĢlar. Bu panellerin
ġekil 2.7 Çimento hamuru-agrega ara yüzey bölgesinin Ģematik gösterimi.
Agrega ile çimento hamuru ara yüzey bölgesinin kalınlığı oldukça ince olmasına rağmen, beton içerisindeki çimento hamuru hacminin yaklaĢık %35%50’ lik kısmını bu temas yüzeyi oluĢturur[18]. Ara yüzeydeki bu boĢluklu yapının açıklanması ile ilgili farklı görüĢler olmasına rağmen bunları Ģu Ģekilde özetlemek mümkün olabilir:
i) KarıĢtırma sırasında, agrega tanelerinin yüzeyleri birkaç mikron kalınlığında su filmiyle kaplanırlar. Hidratasyon baĢlangıcında hidrate
ürünler bu su tabakası ile birleĢtiğinde bu bölgedeki su/çimento oranı, orijinal su/çimento oranından daha yüksek olur. Bundan dolayı geçiĢ bölgesi daha boĢluklu yapıya sahip olmaktadır.
ii) Çeper etkisi olarak adlandırabileceğimiz olay, çimento tanelerinin agrega tanelerinin civarında boĢ bir hacimdeki kadar yakın sıkıĢamamalarıdır. iii) Tek taraflı geliĢim etkisi ise, hidratasyon sonucunda oluĢan hidrate
ürünlerin sadece çimento tarafından gelip, agrega tarafından gelmemesi ve dolayısıyla daha az yoğunluğa sahip bir bölgenin oluĢması olarak açıklanmaktadır.[25]
Beton üretiminde kullanılan agreganın boyutu da betonun dayanımı açısından önemli bir etkiye sahiptir[12]. Bu etkinin nedenleri Ģu Ģekilde açıklanabilir.
i) Agrega genellikle daha büyük parçaların kırılması ile elde edildiğinden, iri agrega taneleri kırılma sırasında daha fazla sayıda kusur ve çatlak içerir. Bu da agreganın ve dolayısıyla betonun daha düĢük dayanıma sahip olmasına neden olur.
ii) Ġri agrega taneleri, daha büyük ara yüzey bölgesi oluĢmasına neden olacağından, geçiĢ bölgesi daha büyük kusur etkisi yaratır ve dayanım düĢer.
ġengül [27] tarafından yapılan bir çalıĢmada beyaz kalker içeren betonların, düĢük beton sınıflarında en yüksek dayanımı verdiği, buna karĢın aynı betonların yüksek beton sınıflarında bazalt içeren betonların gerisinde kaldığı görülmektedir. DüĢük beton sınıflarında beyaz kalker içeren betonların en iyi dayanımı vermesinin nedenleri Ģu Ģekilde açıklanabilir:
i) Beyaz kalker, diğer agrega cinslerine göre daha fazla su emmekte ve bu emilen su, zamanla ara yüzeydeki çimento hamurunun hidratasyonuna yardımcı olmakta ve bu bölgede daha güçlü bir bağın oluĢması sağlanmaktadır.
ii) Beyaz kalkerin elastisite modülünün düĢük olması sonucu, çimento hamuru ile elastik uyumunun daha iyi olmasını sağlamaktadır.
AraĢtırmalar, yük uygulanmadan önce bile agrega ile çimento hamuru arasındaki temas yüzeyinde çok küçük mikroçatlakların varlığını ortaya koymaktadır[28]. Agrega – çimento hamuru ara yüzeyindeki bu mikroçatlaklar betondaki bir kusur olarak düĢünülebilir. Ancak agrega ile çimento hamurunun elastisite modüllerinin birbirine yakın olması, temas bölgelerindeki gerilme yığılmalarının azalmasına ve daha homojen gerilme dağılımlarının ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu Ģekilde sağlanacak elastik uyum sonucunda da erken mikroçatlak oluĢma olasılığı azalmaktadır[29].
2.3.4 Porozite
Beton içerisindeki jel boĢlukları dıĢında kalan toplam boĢluk hacminin hamur hacmine oranı betonun porozitesi olarak tanımlanabilir. Popovics [30] porozitenin beton dayanımına etkisini tahmin eden bazı bağıntılar geliĢtirmiĢ ve kılcal boĢlukların betonun dayanımına olan etkisi ile aynı hacimdeki hava boĢluklarının dayanıma olan etkileri arasında farklılıklar olduğunu belirtmiĢtir. Aynı araĢtırmacı kılcal boĢluklar ile hava boĢlukları arasındaki bu farkın çimento miktarına da bağlı olarak değiĢim gösteren Ģekil ve boyut farklılıkları olduğunu tespit etmiĢtir. Hava boĢluklarının hacimleri pratik olarak değiĢmemekle beraber, kılcal boĢlukların hacimleri hidratasyonun devam etmesi ile birlikte azalmaktadır.
Winslow ve arkadaĢları [31], beton içerisindeki çimento hamurunun boĢluk yapısını ve boĢluk dağılımlarını, çimento hamuru fazı içindeki boĢluk dağılımı ile karĢılaĢtırmıĢlardır. AraĢtırmacılar çimento hamurunun boĢluk yapısını ve boĢluk dağılımlarını civalı porozimetre deney tekniği ile ölçmüĢ ve Ģu önemli sonuçları elde etmiĢlerdir:
i) Beton içerisinde yer alan çimento hamurunun boĢluk yapısı, çimento hamuru fazının boĢluk yapısından farklıdır.
ii) Beton içerisindeki hamur daha boĢluklu bir yapıya sahiptir. Bu ek boĢlukların çoğunluğunun çapı, çimento hamuru fazında bulunandan daha büyüktür.
iii) Harç içerisindeki çimento hamurunun boĢluk yapısı, betonun çimento hamuru boĢluk yapısına daha yakındır.
iv) Aynı su/çimento oranında hazırlanan ve değiĢik koĢullarda küre tabi tutulan hamurlarda, aynı hidratasyon derecelerine eriĢildiğinde boĢluk boyutu dağılımı benzer olmaktadır.
2.4 Gevrek DavranıĢ
Mekanik davranıĢ yönünden malzemeler gevrek ve sünek olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar[11]. Gevrek davranıĢ gösteren malzemeler elastik sınırın sonunda plastik Ģekil değiĢtirmeden aniden ve çok az bir enerji ile kırılır. Gevrek malzemeler gerilme yığılması oluĢturan çatlak, çizik, çentik gibi kusurlar nedeni ile çekme dayanımının düĢük olduğu malzemelerdir. Aynı kusurlar basınç etkisinde kapanır, dolayısıyla yük bir yüzeyden diğerine aktarılır, gerilme yığılması oluĢmaz ve bu durumda malzemeler çok daha yüksek gerilmeleri taĢır.
Beton ve betonarme yapıların deprem gibi dinamik etkiler karĢısındaki performansını belirleyen en önemli etkenlerden biri, aslında yarı-gevrek bir malzeme olan betonun bu etkiler karĢısında ne ölçüde gevrek davranıĢ gösterdiğidir. Betonun gevrek davranıĢı ile ilgili çalıĢmalar geçmiĢten günümüze yapılmıĢtır ve yapılmaya devam etmektedir. Yüksek mukavemetli betonların normal mukavemetli betonlara göre daha gevrek bir davranıĢ gösterdiği bilinmektedir. Nilson’ ın[32] yüksek mukavemetli betonların mekanik davranıĢı ile ilgili bir çalıĢmasında ġekil 2.8’ de verilen grafik verilmektedir. Grafik incelendiğinde basınç halinde basınç dayanımları arttıkça malzeme daha lineer bir davranıĢ göstermekte ve gevreklik artmaktadır. Yüksek mukavemetli betonlarda en yüksek gerilme değerinden sonra eğrinin inen kolu aniden alçalmakta ve belirgin gevrek kırılma davranıĢı ortaya çıkmaktadır.
ġekil2.9’ da gösterilen histeris eğrileriyle elde edilen sonuçlarda da görüldüğü üzere, basınç dayanımının artmasıyla gevreklik indisi de artmakta, yani betonun gevrekliği artmaktadır. Eğrilerde görüldüğü gibi yüksek dayanımlı betonlarda elastik uyum ve azalan mikro çatlaklar sonucu daha lineer azalan bir kol elde edilmekte ve gerilmenin maksimum olduğu noktadaki deformasyon miktarı artmaktadır. Beton basınç dayanımının artması ile birlikte tersinmez (kalıcı) deformasyon enerjisi (SI) azalmakta, bu da gevrekliğin arttığını göstermektedir. Bu durum ġengül, TaĢdemir C. ve TaĢdemir M.A’ in[33] yapmıĢ oldukları araĢtırmada da doğrulanmıĢtır.
ġekil 2.9 Histeris eğrileri üzerinde dayanımın etkisi.
Aitein ve Mehta [34] yaptıkları çalıĢmada, histeris eğrilerinin kalınlıklarının agrega – çimento hamuru ara yüzeyinin dayanımı ile yakından ilgili olduğunu belirtmiĢlerdir. Yükleme ve boĢaltma eğrileri arasındaki kalınlık ve boĢaltma eğrisindeki kalıcı deformasyon miktarı agrega – çimento ara yüzeyinin durumu hakkında bilgi verir. Kalınlığın ve kalıcı deformasyonun azalması ara yüzeyin daha kuvvetli bir hale geldiğini göstermektedir. Beton sınıfının yükselmesiyle birlikte temas yüzeyi daha boĢluksuz ve homojen hale gelir, dolayısıyla gevreklik indisi yani betonun gevrekliği artar.
Sabit deformasyon hızıyla hafif agregalı betonların gerilme – ĢekildeğiĢtirme eğrileri Illig ve arkadaĢları[35] tarafından elde edilmiĢ, bu eğriler altında kalan alanlar hesaplanmıĢ, tepe noktasına kadar (eğrinin yükselen kısmında) kırılma Ģekil değiĢtirme enerjileri ile bunların bağıl değerleri bulunmuĢtur. Eğer basınç dayanımına kadar olan kırılma ĢekildeğiĢtirme enerjisi KEmaks ile ve bağıl kırılma enerjisi de Ur ile ifade edilirse malzemenin gevrek veya daha az gevrek davranıĢı bakımından bazı sonuçlara ulaĢılabilir.
ġekil 2.10 Betonun tek eksenli basınç altında a) Kırılma Ģekil değiĢtirme enerjisi(KEmaks) b) Bağıl kırılma enerjisi (Ur)
Bölüm 4 paragraf 4.3 ‘ de daha detaylı olarak açıklanan bağıl kırılma enerjisi 0.5 ile 1 arasında değerler almaktadır (0.5 < Ur < 1). Betonun basınç dayanımı arttıkça Ur değeri 0.5’ e yaklaĢmaktadır. Eğer Ur = 0.5 ise malzeme lineer elastik gevrek bir malzemedir. Bu sonuçlar Oktar[36] ve Moral[37] yapılan çalıĢmalarda elde edilen sonuçlarla benzerlik göstermektedir. Her iki araĢtırmacının deney sonuçlarına göre de bağıl kırılma enerjileri basınç mukavemeti arttıkça azalmaktadır.
