MERMER TOZU VE CAM ELYAF KATKILI ÇİMENTO HARÇLARININ AŞINMA, YÜKSEK SICAKLIK VE DONMA-ÇÖZÜLME DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ
Bihter GÖKÇER Yüksek Lisans Tezi Anabilim Dalı: Yapı Eğitimi Danışman: Doç. Dr. Servet YILDIZ
ÖNSÖZ
Yüksek lisans tezimle ilgili çalışmaların başından sonuna dek benden maddi ve manevi desteğini esirgemeyen, danışman hocam Sayın Doç. Dr. Servet YILDIZ’a teşekkürlerimi sunarım. Görüşleri ile bana yol göstererek çalışmaya katkı sağlayan değerli hocalarım, Doç. Dr. Oğuzhan KELEŞTEMUR’a, Yrd. Doç. Dr. Erdinç ARICI’ya, Yrd. Doç. Dr. Mehmet EMİROĞLU’na Doç. Dr. Bahar METİN DEMİREL’e, ve Öğr. Gör. Mustafa Ethem KİZİRGİL ‘e teşekkürlerimi sunarım.
Tüm Fırat Üniversitesi Teknoloji Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü akademisyenlerine, bölüm sekreterliği çalışanlarına teşşekürler.
Tez çalışmasının başından sonuna kadar hep yanımda olan arkadaşım Birsu Alişer’e, kuzenlerim Zeynep BOZGÖZ, Didem KALKAN, Meltem GÜL ve Nurettin BOZGÖZ’e, çalışmam süresince her türlü desteğinden dolayı mimar Yeşim GÖKÇER’e, Celal GÖKÇER’e ve Özcan POLAT’a, laboratuvar çalışmalarımda bana yardım eden tüm arkadaşlarıma teşekkürü borç bilirim.
Sadece bu çalışmam süresince değil, tüm yaşamım boyunca desteği ile yanımda olan, benden sevgi ve şefkatini hiçbir zaman esirgemeyen sevgili annem Dilek GÖKÇER’e her kararımda desteğini sürekli olarak yanımda hissettiğim sevgili babam Muammer GÖKÇER’e ve tezin her aşamasında bütün çaba ve emekleriyle destek olan öbür yarım, sevgili kardeşim Mert GÖKÇER’e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Bu tez çalışması TEF 11.11 nolu FÜBAP projesi ile desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı FÜBAP’a, FÜEM’e teşekkürlerimi sunarım.
Bihter GÖKÇER ELAZIĞ-2013
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ... I İÇİNDEKİLER ... II ŞEKİLLER LİSTESİ ... VI TABLOLAR LİSTESİ ... X SEMBOLLER LİSTESİ ... XI 1. GİRİŞ ... 1 1.1. Harç ... 2 1.2. Üretim Yöntemi ... 2 1.3. Cam Lif ... 3 1.3.1. Lif Çeşitleri ... 4
1.3.2. Cam Lifler ve Üretimi ... 4
1.4. Mermer ... 6
1.4.1. Mermer Artıkları ... 7
1.4.1.1. Mermer Artıklarının Oluşumu ... 7
1.4.1.2. Ocaklarda Oluşan Artıklar... 7
1.4.1.3. Fabrikalarda Oluşan Artıklar ... 8
1.4.2. Mermer Artıklarının Değerlendirilmesi ve Değerlendirildiği Yerler ... 8
1.5. Durabilite ... 10
1.5.1. Beton ve Betonarmenin Durabilitesi ... 10
1.6. Donma-Çözülme ... 11
1.6.1. Donma ve Betona Etkileri ... 12
1.7. Aşınma ... 13
1.7.1. Aşınma Çeşitleri ... 13
1.7.2. Beton ve Aşınması ... 13
1.7.2.1. Betonda Yüzeysel Aşınma ... 14
1.8. Yüksek Sıcaklık ... 14
1.8.1. Yüksek Sıcaklığın Betona Etkisi ... 14
1.8.2. Yüksek Sıcaklığın Çimento Hamuruna Etkisi ... 15
1.8.3. Yüksek Sıcaklığın Betonun Fiziksel Özeliklerine Etkisi ... 20
1.8.3.1. Birim Hacim Ağırlığı ... 20
1.8.3.2. Boşluk Oranı ...20
1.8.4. Yüksek Sıcaklığın Betonun Mekanik Özeliklerine Etkisi ... 21
1.8.4.1. Basınç Dayanımı ... 21
1.8.4.1.1. Betonda Isıtma Sürecinde Buharlaşabilir Suyun Basınç Dayanımındaki Rolü ... 22
1.8.4.1.2. Soğutma Türünün Basınç Dayanımına Etkisi ... 23
1.8.4.2. Çekme Dayanımı ... 24
1.8.4.3. Elastisite Modülü ... 24
1.9. Literatür Araştırması ... 25
2. MATERYAL ve METOT ... 31
2.1. Agrega ... 31
2.2. Çimento ... 32
2.3. Cam Lif ... 32
2.4. Mermer Tozu ... 33
2.5. Süperakışkanlaştırcı Kimyasal Katkı ... 34
2.6. Su ... 35
2.7. Karışım Oranları ... 35
2.8. Numunelerin Hazırlanması... 37
2.9. Birim Hacim Ağırlık Deneyi ... 38
2.10. Görünür Porozite Deneyi ... 38
2.11. Kılcal Su Emme Deneyi ... 39
2.12. Ultra Ses Geçiş Hızı ve Dinamik Elastisite Modülü ... 41
2.13. Eğilmede Çekme Dayanımı Deneyi... 42
2.14. Basınç Dayanımı Deneyi ... 44
2.15. Yüksek Sıcaklık Deneyi ... 44
2.16. Donma-Çözülme Deneyi ... 45
2.17. Aşınma Dayanımı ... 46
2.18. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) Analizi ... 48
3. BULGULAR VE TARTIŞMA... 50
3.1. Yüksek Sıcaklık Deney Sonuçları ... 50
3.1.1. Birim Hacim Ağırlık Deney Sonuçları ... 50
3.1.2. Porozite Deney Sonuçları ... 54
3.1.3. Kapiler Su Emme Deney Sonuçları ... 59
3.1.4. Ultrases Geçiş Hızı Deney Sonuçları ... 65
3.1.5. Dinamik Elastisite Modülü Deney Sonuçları ... 70
3.1.6. Eğilmede Çekme Dayanımı Deney Sonuçları ... 75
3.2. Donma-Çözülme Deney Sonuçları ... 87
3.2.1. Birim Hacim Ağırlık Deney Sonuçları ... 87
3.2.2. Porozite Deney Sonuçları ... 90
3.2.3. Kapiler Su Emme Deney Sonuçları ... 92
3.2.4. Ultrases Geçiş Hızı Deneyi Sonuçları ... 94
3.2.5. Dinamik Elastisite Modülü Deney Sonuçları ... 97
3.2.6. Eğilmede Çekme Dayanımı Deney Sonuçları ... 98
3.2.7. Basınç Dayanımı Deney Sonuçları ... 101
3.3. Aşınma Deney Sonuçları ... 104
3.3.1. Aşınmaya Dayanıklılık Deney Sonuçları ... 104
3.3.2. Ultrases Geçiş Hızı Deney Sonuçları ... 106
3.3.3. Kapiler Su Emme Deney Sonuçları ... 108
3.3.4. Basınç Dayanımı Deney Sonuçları ... 109
4. SONUÇ ve ÖNERİLER ... 112
KAYNAKLAR ... 117
ÖZET
Bu çalışmada ağırlıkça 0.25, 0.50, 0.75 ve 1 kg/m3 oranlarında cam elyaf ile filler malzeme yerine hacimce %10, %20, %30, %40 ve %50 oranlarında mermer tozu ilave edilerek harç numuneler hazırlanmıştır. Elde edilen numunelerin, aşınma, yüksek sıcaklık ve donma-çözülme deneyleri öncesi ve sonrası fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu amaçla, hazırlanan numuneler üzerinde porozite, kılcal su emme, ultrases geçiş hızı, basınç dayanımı ve eğilmede çekme dayanımı deneyleri yapılmıştır. Deneylere tabi tutulan numunelerin mikro yapıları SEM analizi ile incelenmiştir.
Yüksek sıcaklık deneyi sonrası numunelerin, porozite ve kapilarite değerlerinde artış, ultrases geçiş hızı, eğilmede çekme dayanımı ve basınç dayanımı değerlerinde ise azalma olduğu tespit edilmiştir.
Donma-çözülme deneyi sonrası numunelerin, porozite ve kapilarite değerlerinde artış, ultrases geçiş hızı, eğilmede çekme dayanımı ve basınç dayanımı değerlerinde ise azalma meydana gelmiştir.
Harç numunelerinin aşınma dayanımlarında, cam elyafın artışına bağlı olarak azalma olduğu, mermer tozunun artmasıyla ise aşınmaya karşı dayanımın arttığı belirlenmiştir.
Yapılan deneyler sonucunda, mermer tozunun artışı ile lif takviyeli harç numunelerinin ultrases geçiş hızı, basınç ve eğilmede çekme dayanımı değerlerinde artış, porozite ve kılcal su emme değerlerinde ise azalmalar olduğu saptanmıştır. Cam lifin artışı ile numunelerin porozite, kılcal su emme ve eğilmede çekme dayanımı değerlerinde artma, ultrases geçiş hızı ve basınç dayanımı değerlerinde ise azalma olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Harç, Cam Lif, Mermer Tozu, Aşınma Dayanımı, Yüksek Sıcaklık, Donma-Çözülme, SEM Analizi
SUMMARY
Investigation of Behaviors of Marble Powder and Glass Fiber Reinforced Cement Mortars, Abrasion Resistance, High Temperature and Freeze-Thaw
In this study, marble powder by substituting with filler material at levels of 10%, 20%, 30%, 40% and 50% by volume was added to mortar samples which reinforced with 0.25, 0.5, 0.75 and 1kg/m3 ratio of glass fiber. The materials’mechanical and physical properties was specified before and after abrasion, high temprature, freeze-thaw experiments. For this purpose; experiment of porosity, sorptivity, ultrasonic pulse velosity, tensile strenght, tensile bending strenght were done on the materials. Micro structures of materials which were tested was found by SEM analysis.
After high-temperature experiments, porosity and sorptivity values of material increased, tensile bending values, ultrasonic pulse velocity and tensile strenght values of material decreased.
After freeze-thaw experiments, porosity and sorptivity values of material increased, tensile bending values, ultrasonic pulse velocity and tensile strenght values of material decreased.
Abrasion resistances of mortar materials, increasing of glass fiber decreased, increasing of marble dust increased.
After experiments results, we determined that when marble powder increased; ultrasonic pulse velocity, tensile strength and tensile bending strength of fiber-reinforced mortar material increased too, porosity and sorptivity of fiber-fiber-reinforced mortar material decreased. On the other hand, porosity, tensile bending strength and sorptivity of material increased; ultrasonic pulse velocity and tensile strength decreased when glass fiber increased.
Keywords: Mortar, Glass Fiber, Marble Dust, Abrasion Resistance, High Temperature, Freeze – Thaw, SEM Analysis
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekil 1.1. Cam elyafın yüksek sıcaklıkta sıvı hale geçmesi ... 4
Şekil 1.2. Cam liflerin bobinlere sarılması işlemi ... Şekil 1.3. Cam liflerin bobinlere sarıldıktan sonraki işlemleri ... 5
Şekil 1.4. Boşluk suyu transferi. ... 16
Şekil 1.5. Doygun buhar basıncı ile sıcaklık arasındaki ilişki ... 17
Şekil 1.6. Çimento hamurunda dayanım ve sıcaklık ilişkisi ... 18
Şekil 1.7. Çimento hamurunda ağırlık kaybı ve sıcaklık ilişkisi ... 19
Şekil 1.8. Çimento hamurunda elastisite modülü-sıcaklık ilişkisi ... 19
Şekil 1.9. Ağırlık kaybının sıcaklıkla değişimi. ... 20
Şekil 1.10. Normal betonda basınç dayanımı-sıcaklık ilişkisi. ... 22
Şekil 1.11. Basınç dayanımının soğutma şekline göre sıcaklıkla değişimi. ... 23
Şekil 1.12. Normal betonda çekme dayanımı-sıcaklık ilişkisi. ... 24
Şekil 1.13. Normal betonda elastisite modülü-sıcaklık ilişkisi ... 25
Şekil 1.14. Betonun elastisite modülünün sıcaklıkla değişimi ... 25
Şekil 2.1. Kullanılan agreganın granülometri eğrisi ... 31
Şekil 2.2. Mermer tozu ve ince agreganın granülometri eğrisi ... 34
Şekil 2.3. Harç numunelerinin hazırlanmasında yapılan slamp deneyi ... 35
Şekil 2.4. Harç karışım mikseri ... 37
Şekil 2.5. Lif karışımlı harç ... 37
Şekil 2.6. Deneyler için hazırlanmış harç numuneleri ... 38
Şekil 2.7. Görünür porozite ölçümü deney düzeneği ... 39
Şekil 2.8. Kılcal su emme deney düzeneği ... 40
Şekil 2.9. Harç numunelerine uygulanan kılcal su emme deneyi ... 40
Şekil 2.10. Ultrases geçiş hızı deney düzeneği ve ölçüm cihazı ... 41
Şekil 2.11. Beton numunelerin çekme - eğilme deneyi ... 43
Şekil 2.12. Eğilmede çekme dayanımını deney düzeneği ... 43
Şekil 2.13. Basınç dayanımı deney düzeneği ... 44
Şekil 2.14. Yüksek sıcaklık testlerinde kullanılan fırın ... 45
Şekil 2.15. Numunelerin donma-çözülme çevrimi ... 46
Şekil 2.16. Hassas Tartı ve Böhme Yüzey Aşındırma Aleti ... 48
Şekil 2.17. JEOL JSM 7001F taramalı mikroskobu ... 48
Şekil 3.1. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinin birim hacim ağırlık değerleri ... 51
Şekil 3.2. Kontrol ve 400 oC numunelerinin birim hacim ağırlık değerleri ... 52
Şekil 3.3. Kontrol ve 600 oC numunelerinin birim hacim ağırlık değerleri ... 52
Şekil 3.4. Kontrol ve 800 oC numunelerinin birim hacim ağırlık değerleri ... 53
Şekil 3.5. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinin porozite değerleri ... 55
Şekil 3.6. Kontrol ve 400 oC numunelerinin porozite değerleri ... 56
Şekil 3.8. Kontrol ve 800 oC numunelerinin porozite değerleri ... 57
Şekil 3.9. Cam lif ve mermer tozu katkılı harç numunelerinin SEM görüntüsü ... 58
Şekil 3.10. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerden elde edilen kapilarite katsayıları değerleri ... 60
Şekil 3.11. Kontrol ve 400 oC numunelerinden elde edilen kapilarite katsayıları değerleri ... 61
Şekil 3.12. Kontrol ve 600 oC numunelerinden elde edilen kapilarite katsayıları değerleri ... 61
Şekil 3.13. Kontrol ve 800 oC numunelerinden elde edilen kapilarite katsayıları değişimi... 62
Şekil 3.14. Kontrol numunesi SEM görüntüsü ... 63
Şekil 3.15. 400 oC sonrası SEM görüntüsü ... 63
Şekil 3.16. 600 oC sonrası SEM görüntüsü ... 64
Şekil 3.17. 800 oC sonrası harç numunesinin SEM görüntüsü ... 64
Şekil 3.18. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinden elde edilen ultrases geçiş hızları değişimi ... 66
Şekil 3.19. Kontrol ve 400 oC numunelerinden elde edilen ultrases geçiş hızı değerleri ... 67
Şekil 3.20. Kontrol ve 600 oC numunelerinden elde edilen ultrases geçiş hızları değerleri ... 67
Şekil 3.21. Kontrol ve 800 oC numunelerinden elde edilen ultrases geçiş hızları değerleri ... 68
Şekil 3.22. Numunelerin ultrases geçiş hızındaki değişimin belirlenmesindeki SEM görüntüsü ... 69
Şekil 3.23. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinden elde edilen dinamik elastisite modülü değerleri ... 71
Şekil 3.24. Kontrol ve 400 oC numunelerinden elde edilen dinamik elastisite modülü değerleri ... 72
Şekil 3.25. Kontrol ve 600 oC numunelerinden elde edilen dinamik elastisite modülü değerleri ... 72
Şekil 3.26. Kontrol ve 800 oC numunelerinden elde edilen dinamik elastisite modülü değişimleri ... 73
Şekil 3.27. Yüksek sıcaklık etkisindeki harç numunesinde oluşan boşluk ve çatlakların SEM görüntüsü ... 74
Şekil 3.28. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinden elde edilen eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 76
Şekil 3.29. Kontrol ve 400 oC, numunelerinden elde edilen eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 77
Şekil 3.30. Kontrol ve 600 oC, numunelerinden elde edilen eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 77
Şekil 3.31. Kontrol ve 800 oC, numunelerinden elde edilen eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 78
Şekil 3.32. Cam lif in harç numunesi içerisindeki dağılımı ... 79
Şekil 3.33. 800 oC sıcaklıkta cam lifin yapısındaki değişim ... 79
Şekil 3.34. Kontrol, 400 oC, 600 oC, 800 oC numunelerinden elde edilen basınç dayanımı değerleri ... 81
Şekil 3.35. Kontrol ve 400 oC numunelerinden elde edilen basınç dayanımı değerleri ... 82
Şekil 3.36. Kontrol ve 600 oC numunelerinden elde edilen basınç dayanımı değerleri ... 82
Şekil 3.37. Kontrol ve 800 oC numunelerinden elde edilen basınç dayanımı değerleri ... 83
Şekil 3.38. Kontrol numunelerinin CSH jelleri ... 84
Şekil 3.39. 400 oC sonrası harç numunelerinin CSH jelleri ... 84
Şekil 3.40. 600 oC sonrası harç numunelerinin CSH jelleri ... 85
Şekil 3.41. 800 oC sonrası harç numunelerinin CSH jelleri ... 85
Şekil 3.42. Memer tozunun tane boyutu ... 86
Şekil 3.43. Memer tozlarının boşlukları doldurması ... 86
Şekil 3.44. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin birim hacim ağırlık değerleri ... 88
Şekil 3.45. Donma-çözülme sonrası numunelerin yüzeylerinde oluşan değişim ... 89
Şekil 3.46. Donma-çözülme sonrası numunelerden ayrılan agregaların oluşturduğu boşluk ... 89
Şekil 3.47. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin porozite değerleri ... 91
Şekil 3.48. Cam lifin harç içerisinde oluşturduğu görüntü ... 91
Şekil 3.49. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin kapilarite katsayı değerleri ... 92
Şekil 3.51. Donma-çözülme numunesinden alınan görüntü ... 93
Şekil 3.52. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin ultrases geçiş hızı değerleri ... 95
Şekil 3.53. Cam liflerin harç numunesindeki etkisi ... 96
Şekil 3.54. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin dinamik elastisite değerleri ... 97
Şekil 3.55. Topaklanmış cam lif ve çatlak oluşumu ... 98
Şekil 3.56. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 100
Şekil 3.57. Cam liflerin harç içindeki dağılımı ... 100
Şekil 3.58. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin basınç dayanımı değerleri ... 101
Şekil 3.60. Donma-çözülme numunelerinin CSH’ları ... 103
Şekil 3.61. Mermer tozunun boşlukları doldurması ... 103
Şekil 3.62. Aşınma kaybı değerleri ... 104
Şekil 3.63. Aşınma sonrası numunelerin yüzeyinden alınan SEM görüntüsü ... 105
Şekil 3.65. Aşınma sonrası numunede oluşan hasar görüntüsü... 107
Şekil 3.66. Kontrol ve aşınma numunelerinin kapilerite katsayı değerleri ... 108
Şekil 3.67. Aşınma numunelerinde aşınma sonrası oluşan boşluklar ... 109
Şekil 3.68. Aşınma sonrası numunelerin basınç dayanımı değerleri ... 110
Şekil 3.69. Aşınma sonrası yüzeyde oluşan hasarlar ... 111
TABLOLAR LİSTESİ
Tablo 1.1. Harç karışım oranları ... 3
Tablo 1.2. Değişik türdeki liflere ait fiziksel özelikler ... 4
Tablo 1.3. Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri ... 5
Tablo 1.4. Mermer üretim aşamalarına göre oluşan artıklar ... 7
Tablo 1.5. Mermer tozlarının sanayide kullanım alanları ve oranları ... 9
Tablo 2.1. Fuller parabolündeki elek numarasına göre yüzdelik oranları ... 31
Tablo 2.2. Numunelerin hazırlanmasında kullanılan çimentoya ait özellikler. ... 32
Tablo 2.3. Kullanılan cam life ait özellikler ... 32
Tablo 2.4. Mermerin fiziksel ve mekanik özellikleri ... 33
Tablo 2.5. Mermerin kimyasal özellikleri ... 33
Tablo 2.6. Süperakışkanlaştırıcı katkının teknik özellikleri ... 34
Tablo 2.7. Deney için hazırlanan numunelere ait karışım oranları ... 36
Tablo 2.8. Ultrases geçiş hızı ile beton kalitesi ilişkisi. ... 42
Tablo 3.1. Numunelerin birim hacim ağırlıkları değerleri ... 50
Tablo 3.2. Numunelerin porozite değerleri ... 54
Tablo 3.3. Numunelerin kapiler su emme katsayıları ... 59
Tablo 3.4. Numunelere ait ultrases geçiş hızı değerleri ... 65
Tablo 3.5. Numunelere ait dinamik elastisite modülü değerleri ... 70
Tablo 3.6. Numunelere ait eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 75
Tablo 3.7. Numunelere ait basınç dayanımı değerleri ... 80
Tablo 3.8. Numunelerin birim hacim ağırlıkları değerleri ... 87
Tablo 3.9. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin porozite değerleri ... 90
Tablo 3.10. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin kapiler su emme katsayı değerleri ... 92
Tablo 3.11. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin ultrases geçiş hızı değerleri ... 94
Tablo 3.12. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin dinamik elestisite modülü değerleri ... 97
Tablo 3.13. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin eğilmede çekme dayanımı değerleri ... 99
Tablo 3.14. Kontrol ve donma-çözülme numunelerinin basınç dayanımı değerleri ... 101
Tablo 3.15. Aşınma kaybı değerleri ... 104
Tablo 3.16. Kontrol ve aşınma numunelerinin ultrases geçiş hızı değerleri ... 106
Tablo 3.17. Kontrol ve aşınma numunelerinin kapilarite değerleri ... 108
SEMBOLLER LİSTESİ
ASTM : American Society for Testing Materials CSH : Kalsiyum Silikat Hidrat
Ed : Dinamik elastisite modülü k : Kılcal su emme katsayısı
P : Porozite
Q : Absorbe olan su miktarı SEM : Scanning Electron Microscope TS : Türk Standartları
V : Ses üstü dalga hızı V0 : Deneyden önceki hacim ∆V : Böhme yüzey aşınma kaybı Wdyk : Doygun yüzey kuru ağırlık
Μ : Poisson oranı
1. GİRİŞ
Bir yapıdan beklenen temel özellikler dayanım, dayanıklılık, ekonomiklik, işlevsellik ve estetiğin sağlanmasıdır. Bu nedenle günümüzde taşıyıcı yapı malzemelerin dayanımı ve uzun süreli performansı yüksek, üretimi kolay, çevre ile uyumlu ve ekonomik olması istenmektedir. Gelecekte proje sahiplerinin; yapı sahibinin veya tüm ilgili tarafların ve kullanıcıların gereksinimlerine yanıt verecek şekilde, yapının sadece yük taşıma kapasitesine göre değil, sünekliğini, dayanıklılığını, yangına, donma-çözülmeye, aşınmaya ve depreme karşı dayanıklılığını arttırarak performansa dayalı projeler geliştirmesi beklenmektedir. Örneğin betonarme yapıların tasarımında dayanımın yanında dayanıklılığın da dikkate alınması günümüzde giderek daha çok önem kazanmaktadır [1].
Dayanıklılık, yapı bileşeni veya yapı elemanının yapı sistemi içindeki servis yeteneğini belirli bir zaman içinde sürdürebilme yeteneğidir. Dayanıklılık kaliteli yapılar için vazgeçilmez bir unsurdur [2]. Bu bağlamda, her türlü betonun dayanımdan başka dayanıklılık özellikleri de gittikçe daha fazla önem kazanmış ve beton tasarımları dayanıklılık kriterlerine göre yapılmaya başlanmıştır. Bunlarla bağlantılı olarak beton özelliklerini iyileştirmek adına çeşitli doğal veya yapay puzolanlar, endüstriyel yan ürünler, beton üretiminde bağlayıcı ve/veya agrega yerine kullanılmaktadır. Öte yandan, bazı katkıların da betonun dayanıklılık özelliklerini iyileştirdiği rapor edilmiştir [3].
Lifler de betonda mekanik özelikleri iyileştirmek amacı ile kullanılmaktadır. Oluşan çatlakların ani olarak yayılmasını engelleyerek, betonun sünek davranış göstermesini sağlayan lifler, oluşan deformasyonlarda betonun yük taşıyabilmesini sağlamakta ve enerji yutma kapasitelerini arttırmaktadır [4].
Beton üretiminde betonun dayanımı ve dayanıklılığı üzerine yapılan çalışmalarda değişik malzeme ve metotlar kullanılmaktadır. Kullanılan bu malzemelerden biride mermer tozudur. Mermerlerin düzgün geometrik şekil alabilmesi için kesilmesi gerekmektedir. Kesme işlemi sonunda mermer tozu ortaya çıkmaktadır. Mermer tozları sedimantasyon yöntemi ile çökeltilmekte veya doğrudan araziye bırakılmaktadır. Dolayısıyla çevre kirliliğinin azaltılması için mermer tozlarının farklı endüstri alanlarında değerlendirilmesi faydalı olacaktır [5].
Bu tez çalışmasında, mermer tozu ikamesi ve cam lif katkısının çimento harcının mekanik ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla farklı mermer tozu ve lif oranları kullanılmıştır. Numuneler belirlenen karışım oranlarında hazırlanmış ve
mermer tozu filler malzeme ile ikameli olarak kullanılmıştır. Oluşturulan harç numuneleri üzerinde yüksek sıcaklık, donma-çözülme ve aşınma deneyleri yapılmış ve numunelerin SEM görüntüleri alınmıştır. Deney sonucu numunelerde oluşan fiziksel ve mekanik değişimler belirlenmiştir.
1.1. Harç
Bağlayıcı malzeme, kum, su ve gerektiğinde katkı malzemelerinin karıştırılmasından meydana gelen, katılaşma özelliğine sahip karışımlara "harç" denir [6].
Harç, kârgir yapıların derzlerinde kullanılabilen, bağlayıcı ve kumun bir miktar su ile yoğrulmasından elde edilen, az veya çok plastik özelliği olan bir hamurdur [7].
Harçlar, bünyelerine giren bağlayıcı malzeme çeşidine göre kil, alçı, kireç, çimento ve melez harçlar olmak üzere beş grupta, yapıdaki kullanma yerlerine göre de duvar harçları ve sıva harçları olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilir. Bağlayıcı malzemeler yapıda ayrıca şap, şerbet ve badana işlerinde de kullanılır [6].
Tarihte ilk harç uygulamaları kil harçlarıdır. Bundan sonra Mısır'da alçı, Roma'da kireç ve puzolanik özelliği olan malzemeler, Osmanlılarda Horasan harcı, XVIII. yüzyıl Avrupa'sında ise su kireci ile hazırlanan harçlar kullanılmıştır. Bağlayıcı malzeme endüstrisinin gelişmesi ile son olarak XIX. yüzyıl Avrupası'nda çimento harçları yapılarda uygulama alanına girmiştir [6].
1.2. Üretim Yöntemi
Harç, yapıdaki kullanılma şekli ve yerine göre ağırlıkça veya hacimce önceden tespit edilen miktarda bağlayıcı malzeme ve kumun kuru olarak karıştırılması, bu karışıma hidratasyon ve işlenebilme özelliği sağlayıcı nitelikte gerekli miktarda suyun ilave edilmesi ve tekrar karıştırılması ile oluşturulur. Harca gerekli hallerde mineral esaslı boya pigmenti ve katkı maddeleri ilave edilmesi mümkündür [6].
Tablo 1.1. Harç karışım oranları [6].
Harç Cinsi
Hacim Oranları
Kil Tras Kireç Alçı Çimento Kum
Kil Harcı 1 - - - - - Alçı Harcı - - - 1 - 0-4 Kireç Harcı - - 1 - - 3 Puzolanik - 0.5-0.7 1 - - 3-6 Çimento - - - - 1 (3)-4 Melez Harç - - 1.5-(2) - 1 8
Kireç / Kireç, Tras / Kireç oranları normalleştirilmiştir.
Harç üretiminde kullanılacak malzeme oranları ağırlık esasına, hacim esasına veya bu ikisini birden dikkate alan sisteme göre belirlenir. Hacim esasına göre yapılan harçlarda bir hacim bağlayıcıya birkaç hacim kum katılmak sureti ile harç karışımı elde edilir. Su istenen işlenebilmeyi sağlayacak miktarda konur [8].
Su bağlayıcının ağırlıkça %20-30'u yoğurma suyu kumun ağırlıkça %3-8'i kadar da ıslanma suyu olarak alınmalıdır. Agrega çapı büyüdükçe ıslanma suyu azalır, ufaldıkça artar. Çünkü ıslanacak özgül yüzey artmaktadır. Nemli kumlardan nem kadar suyu azaltmak gerekir [9].
1.3. Cam Lif
1.3.1. Lif Çeşitleri
Farklı özelikleri ve kullanım alanları bakımından birçok lif türü vardır. Bu lifleri değişik biçimlerde sınıflandırmak mümkündür. Lifler, genel olarak şöyle sınıflandırılabilirler [10]:
1. Doğal Lifler 2. Sentetik Lifler * Hayvansal Lifler * Polimer Lifler * Bitkisel Lifler * Metalik Lifler * Mineral Lifler * Seramik Lifler
Tablo 1.2’ye göre çelik ve cam lifler, çekme dayanımı yönünden en iyi performansı gösteren lif cinsleridir. Çelik lifler özgül ağırlığı en fazla olan lif cinsi olarak ayrı bir özelik taşırlar [11]. Değişik türdeki liflere ait fiziksel özelikler Tablo 1.2’de görülmektedir.
Tablo 1.2. Değişik türdeki liflere ait fiziksel özelikler [11]. Lif cinsi Çekme dayanımı (MPa) Elastisite modülü (103, MPa) Maksimum uzama (%) Özgül ağırlık (gr/cm3) Akrilik 207-414 2.1 25-45 1.1 Asbestler 552-966 83-138 0.6 3.2 Pamuk 414-690 4.8 3-10 1.5 Cam 1035-3795 69 1.5-3.5 2.5 Naylon 759-828 4.1 16-20 1.1 Polyester 724-863 8.3 11-13 1.4 Polietilen 690 0.14-0.4 10 0.95 Polipropilen 552-759 3.5 25 0.90 Pamuk-Yün 414-621 6.9 10-25 1.5 Mineral yünü 483-759 69-117 0.6 2.7 Çelik 276-2760 200 0.5-35 7.8
1.3.2. Cam Lifler ve Üretimi
Cam elyafı kolemanit, silika, alüminyum gibi cam üretim maddelerinden üretilmektedir. Ham madde bileşimi, çok ince öğütülerek karıştırılıp, homojen bir karışım elde edilir. Yaklaşık 1600°C sıcaklıkta çalışan bir ergitme fırınına beslenir. Fırın içinde, karışım yavaşça sıvı hale geçer. İşleme uygun olarak yerleştirilmiş bir sarma sistemi ile 50 m/sn gibi yüksek bir hız ile daha sonraki uygulama türüne bağlı olarak 5 ile 20 mikron çapında çekilen cam lifleri bir mandal üzerine sarılarak “kek” adı verilen bir bobin üzerinde toplanır [12].
Şekil 1.1. Cam elyafın yüksek sıcaklıkta sıvı hale geçmesi Şekil 1.2. Cam liflerin bobinlere sarılması işlemi
Cam lifleri, demet haline getirilmeden önce, bağlayıcı adı verilen bir kimyasal bileşim ile kaplanır. Bağlayıcı cinsi, kompozit malzeme içinde cam elyafının performansını etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Kompozit mukavemeti, reçine-cam bağının kuvveti ile doğru orantılıdır. Bu bağın kuvveti, kullanılan bağlayıcı içindeki bağlama gruplarının cinsine bağlıdır. Bağlayıcı, “film oluşturucu”, “bağlama grupları”, “antistatik katkı”, “plastifiyan”, “lübrikant” adı verilen malzemelerin karışımından oluşmaktadır.
Kek adı verilen bir bobin üzerine sarılan cam lifleri kurutulduktan sonra, kırpılmış demetten keçe, çok uçlu fitil, kırpılmış demetler gibi cam elyafı ürünlerinin elde edilmesi amacıyla işleme tabi tutulur [12].
Şekil 1.3. Cam liflerin bobinlere sarıldıktan sonraki işlemleri
Cam elyafı biçimlendirildikten sonra yıpranmaya dayanımın artması için kimyasallarla bir kaplama işlemi yapılır. Cam elyafı ile matris arası yapışma gücünü arttıran “silan” bazlı ve elyaf üzerinde ince film oluşturan kimyasalların sonra kullanım alanları artmıştır. Kompozisyonlarına bağlı olarak, değişik cam elyafı çeşitleri vardır. Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri Tablo 1.3’de verilmiştir.
Tablo 1.3. Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri [12].
Özellikler Cam Tipi
A C E S
Özgül ağırlık (gr/cm3) 2.50 2.49 2.54 2.48
Elastik modül (GPa) - 69.0 72.4 85.5
Çekme mukavemetî (MPa) 3033.0 3033.0 3448.0 4585.0
Isıl genleşme katsayısı (m/m/°Cx106) 8.6 7.2 5.0 5.6
Yumuşama sıcaklığı (°C) 727.0 749.0 841.0 970.0 SiO2 72.0 64.4 52.4 64.4 Al2O3, Fe2O3 0.6 4.1 14.4 25.0 CaO 10.0 13.4 17.2 - MgO 2.5 3.3 4.6 10.3 Na2O, K2O 14.2 9.6 0.8 0.3 B2O3 - 4.7 10.6 - BaO - 0.9 - -
A Camı - Pencerelerde ve şişelerde en çok kullanılan cam çeşididir. Kompozitlerde çok fazla kullanılmaz.
E Camı - Takviye elyaflarının üretiminde en çok kullanılan cam türüdür. Düşük maliyet, iyi yalıtım ve düşük su emiş oranı özelliklerine sahiptir.
S + R Camı - Yüksek maliyetli ve yüksek performanslı bir malzemedir. Yalnız uçak sanayisinde kullanılır.
Elyaf içindeki tellerin çapları E Cam’ın yarısı kadardır, böylelikle elyaf sayısı fazlalaşır dolayısıyla birleşme özelliklerinin daha güçlü olması anlamına gelen daha sert yüzey elde edilebilmektedir.
Cam elyafın kullanım amacına bağlı olarak elyaf sarma biçimleri farklı olabilir. Elyaf çapı ve demetteki lif sayısı farklılaşabilir. Cam elyafı biçimlendirildikten sonra yıpranma dayanımının artması için kimyasallarla bir kaplama işlemi yapılır.
Kaplama malzemesi olarak genellikle elyafın kompozit malzemeye uygulanmasından önce kolaylıkla kaldırılabilen ve suyla çözülebilen polimerler kullanılmaktadır. Elyaf ile reçinenin birbirine iyi yapışması çok önemlidir. İyi yapışmamaktan dolayı birbirinden kayan takviye malzemesi ve matris, kompozit malzemenin sertliğini ve sağlamlık performansını düşürür. Bu durumun engellenmesi için elyaf kimyasallarla kaplanır [12].
1.4. Mermer
Mermerlerin kimyasal bileşimlerinde büyük oranda kalsiyum karbonat, daha düşük oranlarda magnezyum karbonat ve silisyum dioksit, ayrıca pigment olarak da değişik metal oksitleri bulunmaktadır. Saf oldukları zaman yarı saydam ve beyaz renklidirler. Fakat yabancı maddelerin ve özellikle madensel oksitlerin tesiriyle sarı, pembe, kırmızı, mavimtırak, esmer ve siyah renkli olabilmektedirler. Bünyelerinde bazen rastlanan değişik renklerdeki damarlar, taşlara hayranlık uyandıran bir görüntü kazandırdığı gibi, kıymetlerini de arttırmakta; dekorasyon ve süsleme işlerinde özellikle bu çeşit mermerler tercih edilmektedir [13].
Özellikle yukarıda belirtilen “hakiki (kristalin) mermerler” dünya üzerinde ağırlıklı olarak Alp Kuşağı, Ege Adaları, Anadolu Yarımadası, İran, Pakistan ve Hindistan (Himalaya’lar)’dan Çin’e kadar uzanan alanda bulunmaktadır. Ayrıca metamorfik masifler içinde yer alan mermerler, masiflerin bulunduğu yerlerde (Kanada, İsveç, Anadolu, Urallar-Sibirya, Güney Afrika, Güney Amerika ve Avustralya) görülmektedir [13].
“Ticari” anlamda ve ismini mermerin bulunduğu yerlerden, renkten ve mermerin bizzat kalitesinden alan mermerler ise, kesilip parlatılabilen her çeşit taşı kapsamaktadır. Bu tanımlama içindeki hakiki mermerin yanında, iyi parlatılabilen kalker, traverten, serpantin,
oniks mermeri, dolomit, granit, diyabaz, bazalt, arduvaz, kumtaşı, tektonik breş ve konglomera da yer almaktadır [13].
1.4.1. Mermer Artıkları
1.4.1.1. Mermer Artıklarının Oluşumu
Blokların veya kesilebilir boyuttaki molozların ocaklardan çıkarılması esnasında oluşan irili ufaklı parçaların yanı sıra; blokların mermer işleme tesislerin mamul hale getirilmesi esnasında oluşan bütün mermer plaka parçaları ve tozları “mermer artığı” olarak değerlendirilmektedir [14]. Mermer üretim aşamalarına göre oluşan artık miktarları Tablo 1.4’de gösterilmiştir.
Tablo 1.4. Mermer üretim aşamalarına göre oluşan artıklar [15].
Kayıplar Net Mermer Üretimi Mermer Ocak Artığı Mermer İşleme Artıkları Silim – Parlatma Artıkları Toplam Artık Üretilmiş Mermer Rezervi % 30 50 15 5 70 100
1.4.1.2. Ocaklarda Oluşan Artıklar
Ocaklarda bulunan mermerler doğal bir kaya halindedirler. Ocak kazı ekipmanlarıyla blok mermer üretimi yapılırken kesme işlemi esnasında az miktarda mermer kırıntısı ve tozu oluşmaktadır. Bunların da ocak içerisinde dağılması ve kirlenmesi nedeniyle fazla bir önem taşımadığı tespit edilmiştir [16].
Ocakta ana kütleden koparılan ve çok iri boyutlarda olan blokların sayalanması (Belirli ebatlarda blok elde edilmesi için alt, üst ve yanlardan kesilmesi) esnasında “kapak” adı verilen parçalar ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, mermer ocağında bulunan arızalar, faylar ve benzeri nedenlerden dolayı, blok üretimi yapılırken ortaya çıkan ve blok elde edilemeyen iri boyuttaki molozlar açığa çıkmaktadır. Bunlara ocak pasası denilmektedir. Mermer ocaklarında oluşan bu artıklar ocakların kenarlarında biriktirilerek kendi haline terk edilmekte mozaik yapımında kullanılmak üzere, isteyen firmalara çok düşük fiyatlarla satılmaktadır [16].
1.4.1.3. Fabrikalarda Oluşan Artıklar
Fabrikalarda bloklardan belirli ebatlarda plakalar elde edilmektedir. Başlangıçta bu plakaların boyutları uygun ölçülerde olmadığından, ebatlandırma esnasında kenarlarından parçalar açığa çıkmaktadır. Bununla birlikte blok ve plakalarda bulunan çatlak veya kırıklardan dolayı plakalar kırılmakta ve böylece küçük boyutlarda parça plaka artıklar oluşmaktadır. Mermercilikte bunlara “paledyen” adı verilmektedir [16, 17].
Elmas soketli, dairesel testereli taş kesme makinelerinde (S/T); bloklardan plaka elde edilmesi esnasında, blokların alt kısımlarından açığa çıkan ve plaka mermer elde edilmesi mümkün olmayan iri boyuttaki mermer artıkları oluşmaktadır. Bunlardan zaman zaman mutfak taşı evyesi elde edilmektedir. Mermerciler için en önemli sorunlardan birisi; mermerin kesilmesi esnasında makinelerin kesme işlemini yapan testerelerin ağzından çıkan çok küçük boyuttaki mermer tozu artıkların oluşumudur [16,17].
Kesme işlemi sulu olarak yapıldığından, açığa çıkan tozlar su ile birlikte taşınmakta ve çökeltme havuzlarında toplanmakta ya da yeni yöntem uygulanan çökeltme tanklarında susuzlaştırılıp presleme makinelerinde sıkıştırılarak kek haline getirilmektedir. Her iki halde de açığa çıkan artıklar presleme makinelerinde sıkıştırılarak kek haline getirilmektedir ve doğaya atılmaktadır [16,17].
1.4.2. Mermer Artıklarının Değerlendirilmesi ve Değerlendirildiği Yerler
Mermere artan talebi karşılamak amacıyla, ülkemizdeki mermer işleme tesislerinin sayısında bir artış gözlenmektedir. Bunun doğal sonucu olarak da, mermer işleme tesislerinin yoğunlaştığı bölgelerde, kamuoyu gözünde çevrecilik ve tabii güzelliği bozması sebebiyle olumsuz bir tepki oluşturan mermer artık sahalarının yaygınlaştığı görülmektedir [18].
Dünyada kullanılan kaynakların hızla tükenmesi, çeşitli uluslararası kuruluşları, kaynakların nasıl verimli kullanılacağı, kullanılmakta olan kaynaklardan maksimum verimin nasıl sağlanacağı konularında çalışmalar yapmaya yönlendirmiştir. Bu bağlamda sürdürebilir kalkınma “şuan ki ihtiyaçlarımızı karşılarken, gelecek kuşakların kendi ihtiyaçlarını karşılayabilme potansiyelini tehlikeye atmamalıdır” [19].
Artık sahalarına atılan malzemelerin değerlendirilebilirliği üzerine yapılan literatür çalışmaları, mermer işleme tesis artıklarının yapı malzemesi olarak kullanımı haricinde, farklı boyut fraksiyonlarına indirilmiş toz artıkların, mimaride süsleme hammaddesi, dolgu
malzemesi ve/veya tarımsal amaçlı katkı malzemesi gibi kullanımını göstermektedir. Mermer artıkları parça boyutu olarak işleme tesislerinden iki farklı ürün olarak çıkabilmektedir. Birinci ürün, iri boyutlu parça mermer artıkları, ikinci ürün ise koloidal yapıda büyük miktarı 150 mikronun altında olan maksimum parça boyutu 2mm’ye ulaşabilen kesim toz artığı olmaktadır. Bunların değerlendirme alanları farklılık göstermektedir. İri boyutlu parça artıklar, inşaat sektöründe yapı elemanı olarak kullanılabilen, toz artıklar ise direkt olarak farklı endüstri dallarında kullanılabilme imkanı bulmaktadır. Her iki tür artığın değerlendirildiği alanlar bulunmaktadır.
Parça mermer artıklar; beton agregası, döşeme plağı agregası, sıkıştırılmış yol zemini, baraj+inşaatlarda dolgu malzemesi, demir yolu zemin malzemesi, paledyen-yerdöşeme malzemesi ve benzeri yerlerde değerlendirilebilmektedir [18]. Toz mermer artıklar; zirai kireçtaşı-zirai toprak ve zemin ayarlayıcı, yem ve mineralli besinler, sıva katkı malzemesi, çimento üretimi, kireç üretimi, kalsine dolomit üretimi, cüruf yapıcı malzeme, refrakter malzeme, asit nötrleştirmede, cam üretiminde, kağıt üretiminde, şeker rafinasyonunda, baca gazından kükürdün gideriminde kullanılmaktadır [18]. Mermer tozlarının sanayide kullanım oranı ve miktarı ile ilgili Devlet İstatistik Enstitüsü Başkanlığının 1997 yılı verileri Tablo 1.5’de verilmiştir.
Tablo 1.5. Mermer tozlarının sanayide kullanım alanları ve oranları [20].
KULLANIM ALANI % CaCO3 Üretim Miktarı (ton)
Seramik 5 - 6 300.000
Plastik 30 - 45 560.000
Çimento 15 - 20 28.550.000
Gübre 50 - 80 3.500.000
Kanatlı Hayvan Yemi 10 – 12.50 927.000
BB ve KB Hayvan Yemi 5 - 7 1.450.000
Boya Tespit Edilemedi 130.000
Gazete Kağıdı 2 - 6 140.000
Kitap Kağıdı 5 - 40 90.000
Ambalaj Kağıdı 20 - 25 28.000
Sigara Kağıdı 35 - 40 5.400
1.5. Durabilite
Yapı, yapı elemanı ve yapı malzemelerinin işlevlerini uzun yıllar boyu bozulmadan yerine getirebilme özelliği dayanıklılık, kalıcılık veya durabilite olarak tanımlanır [21, 22, 23, 24]. Evrende canlı veya cansız hiçbir varlık mükemmel dayanıklı değildir; doğal olarak malzemeler de bu kurala uyarlar [25]. Yapıların inşası çok zor ve pahalı olduğu için, yapı sahipleri, yapı için uzun bir servis ömrü talep ederler. Örneğin, bundan 50 yıl önce, geleneksel bir betonarme yapı için, 25 yıllık bir servis ömrü çok makul bir istek iken, bugün birçok yapı 100 yıllık bir servis ömrü için tasarlanmakta, bu nedenle dayanıklılık gittikçe artan bir önem kazanmaktadır [26]. Yapıların kalıcı olabilmesi, ulusal ekonomiler için hayati önem taşımaktadır [27]. Betonarme yapıların, kısa sürede işlevselliğini yitirmesi sadece ekonomik ve teknik bir problem değil, doğal kaynakların verimsiz kullanımı anlamına gelmektedir.
Dünyada maliyet ve kaynak kullanımı açısından çok büyük paya sahip olan inşaat sektöründe doğal kaynakların verimsiz kullanımı, çevresel ve ekolojik problemlere yol açar. Bu durum, sektörde sürdürülebilir bir gelişmenin sağlanması için yapılarda kalıcılığın önemini açıkça göstermektedir [21, 28].
1.5.1. Beton ve Betonarmenin Durabilitesi
Beton veya harç, taneli mineral malzeme olan agreganın, bunları yapıştıran çimento ve su ile karıştırılması sonucu meydana gelen ve önceden şekil verilebilen yapay taş olarak tanımlanabilir [25]. Beton, çağdaş toplumlarda yapı üretiminin temelini oluşturan ve yaygın olarak kullanılan en önemli taşıyıcı yapı malzemesidir [25,28]. Günümüzde, dünyada her yıl yaklaşık 5.5 milyar ton beton üretilmektedir ve bu miktar dünya nüfusuna oranlandığında kişi başına yaklaşık 1000 kg beton üretildiği ortaya çıkmaktadır [25].
Betonun vazgeçilemez üç ana özelliği, taze halde işlenebilme, sertleşmiş halde yeterli dayanım ve dış ortam etkilerine dayanıklılıktır [22]. Yapıyı veya yapı elemanını oluşturan malzemenin belirli bir dayanıma sahip olması güvenliğin sağlanmasında en önemli koşuldur [25]. Basınç dayanımı ile denetlenen, çekme dayanımı çok düşük, gevrek bir malzeme olan beton ile taşıyıcı sistemler oluşturmak, zor ve ekonomik olmayan çözümler gerektirir. Beton, bünyesinde veya hemen yakın çevresindeki sıcaklık değişimi, nem ve kimyasal maddelerin varlığı ve taşınım mekanizması betonun kalıcılığını etkileyen önemli faktörlerdir [21,23]. Beton veya harcın zamanla bozulmasına içten veya dıştan etki eden fiziksel, kimyasal, biyolojik veya mekanik etkenler neden olur [21,27]. Beton veya
betonarme elemanlar, birkaç etkinin bir arada veya peş peşe etkimesi sonucu beklenenden daha kısa sürelerde bozulabilir [21]. Betonun hizmet gördüğü süre boyunca karşılaştığı kimyasal ve fiziksel olaylar karşısında yeterli direnci gösterebilmesi, yeterince dayanıklı olması, betonun dayanımı kadar önemlidir [29]. Tablo 1.6’da betonun veya harcın bozulma sebepleri verilmiştir.
Tablo 1.6. Betonun veya harcın bozulma sebepleri
• Donma-Çözülme • Asit ve Tuzların Çimento ile Reaksiyonu • Buz Çözücü Tuzlar • Betona Sülfat Etkisi
• Deniz Suyu Etkisi • Gecikmiş Etrenjit Oluşumu • Erozyon, Aşınma Oyulma • Alkali-Silika Reaksiyonu • Yangın, Yüksek Sıcaklık • Karbonatlaşma vd.
1.6. Donma-Çözülme
Betonlar, harçlar çeşitli doğa tesirlerine maruz kalmaktadır. Bunların içinde en etkilisi donma-çözülmedir. Zira malzeme boşluklarına dolan su eksi (-) sıcaklıklardaki hava koşullarında donarak hacimce genleşme ve iç gerilmeler meydana getirir, sonuçta betonda, harçta fiziksel bozukluklar ve basınç dayanımında azalmalar olur [30].
Bir betonda don olayı önce betondaki iri boşluklarda başlar. Zira suyun donma derecesi boşluk boyutları küçüldükçe azalmaktadır. Büyük boşluklarda başlayan donma olayı küçük boşluklara doğru gelişir ve bunun sonunda da kılcal boşluklardaki su donmaya başlar. Jel boşlukları çok küçük olduğundan buralarda buz kristalleri oluşamaz. Bu kapiler kanalcıklarda suyun donabilmesi için sıcaklık derecesinin -78°C altına düşmesi gerekir. Bu donma ve çözülme olaylarının tekrarlanması ve donan suyun hacminin donma sıcaklığına bağlı olarak %9’lara kadar varan artışlar ve bunun sonucunda da iç gerilmelerin olması betonu yıpratır [31].
Betonun, içinde oluşan buzun basınç dayanımından parçalanarak zarar görmemesi gerekir. Donma olayı sonunda buzda meydana gelen basınç gerilmesi, buzun zati basınç
BETONUN BOZULMA SEBEPLERİ
FİZİKSEL VE MEKANİK ETKENLER
KİMYASAL VE BİYOLOJİK ETKENLER
dayanımına erişir ve bundan büyük değerlere ulaşırsa, buz parçalanarak su haline dönüşür ve donma olayının zararlı etkisi ortadan kalkar. Bunun için, betonun alacağı mukavemetin buzun mukavemetinden fazla olması gerekir. Burada en büyük etken; beton yapımında uygulanan yöntem ve teknikler ile kullanılan malzemeler olup özellikle çimentonun niteliği, içerisine katkı maddesi katılıp katılmadığı, katıldı ise miktarıdır. Donma-çözülme olayının etki derecesine bağlı olarak seçilecek malzemelerin cins ve miktarları büyük önem arz etmektedir [32].
1.6.1. Donma ve Betona Etkileri
Yapıyı oluşturan elemanlardan beklenilen güvenli dayanıklılık; aşınmaya, sülfat etkisine, su geçirimliliğine, donma-çözülme gibi etkilere karşı direnç göstermesidir.
Suya doygun betonun sıcaklığı düşerse çimento hamuru içindeki kılcal boşluklarda bulunan su, kayaların içindeki kılcal boşluklardaki suya benzer olarak donar ve betonda genişleme oluşur. Bu olay çeşitli defalar tekrarlanırsa art arda oluşan donma ve çözülmeler betonda kalıcı hasar meydana getirir. Betonda yetersiz yerleştirmeden doğan daha büyük boşluklar ise genellikle hava ile doludur ve bundan dolayı don hasarının oluşmasında bir rol oynamazlar. Betonun donması kademeli olarak gelişir. Bunun nedeni ise, betondaki ısı transferinin hızı ve donma noktasının boşluğun boyutuna göre değişmesiyle açıklamak mümkündür. Donma büyük boşluklarda bulunan sudan başlayarak küçük boşluklara doğru yayılır. Betondaki buzun genişlemesinden doğan basınç, betonun çekme dayanımını geçtiğinde hasar oluşur. Hasarın derecesi yüzeydeki dökülmelerden başlayarak tabakalar halinde parçalanmaya kadar gelişir ve beton içine doğru ilerler [33].
Sıcaklık derecesinin sıfırın altına düşmesi durumunda beton parçalanabilmektedir. Bunun nedeni, beton boşluklarındaki suyun donması ve bunun sebebiyle hacim artışı, çekme gerilmelerinin oluşması ve bununla betonun çekme dayanımından fazla değerler almasıdır. Betonun donmaya dayanıklı olmasında, iklim koşulları da önemlidir. En elverişsiz koşullar ise gece donma, gündüz ise erime olayının yenilenmesidir. Açık hava etkisinde bulunan ve kalınlığı az olan beton elemanlarının soğuk yörelerde donmaya dayanıklı olması sağlanmalıdır. Betonda donma sonucu oluşan gerilmeler, saturasyon derecesine bağlı olarak gelişir. Gerilmeler doygunluk derecesinin bir fonksiyonu olarak azalır [34].
1.7. Aşınma
Aşınma, sürtünen yüzeylerden istenmediği halde malzeme transferi ve kaybı olarak tanımlanabilir. Birbirlerine değen yüzeyler, bağıl hareketleri sırasında zamanla aşınarak harap olurlar. Makine veya yapı elemanlarının ömrüne tesir eder. Bu olay, karmaşık bir karaktere sahip olup, şimdiye kadar yapılan araştırmalar sonunda çeşitli faktörlerin aşınma ile ilişkilerini gösteren tek bir formülün elde edilmesi mümkün olmamıştır.
Aşınma özeliği metallerde etraflı bir şekilde incelenerek bazı teoriler geliştirilirken, yatak malzemesi olarak bazı polimer malzemelerin de aşınma mekanizması izah edilmeye çalışılmıştır [35].
İnşaat mühendisliği yapılarında kullanılan tabii taş ve beton gibi malzemelerde ise aşınma özelliği genellikle belirli aşınma şartlarını temsil eden deney metotları ile incelenmiş ve daha çok malzemenin çeşitli özeliklerinin, bazı ortam şartlarının aşınma özelliğini ne yönde etkilediği araştırılmıştır.
Ancak, genelde, metallerde çeşitli aşınma tipleri için geliştirilen teorilerin ve aşınmayı belirleyen kanunların bazı yaklaşıklıklarla taş yapılı cisimlerin aşınmasını açıklamada kullanılabileceğini söylemek pek yanlış olmayacaktır.
1.7.1. Aşınma Çeşitleri
Birbirine değen yüzeylere uygulanan normal kuvvetin şiddetine bağlı olarak aşınma hafif ve şiddetli olarak ikiye ayrılabilmektedir. Hafif aşınmada yüzey pürüzlülükleri zamanla azalır ve aşınma partikülleri küçük boyuttadır. Şiddetli aşınmada ise pürüzlülükler daha da büyüyerek iri aşınma parçaları oluşur [35].
Genelde aşınma aşağıdaki dört ana grupta sınıflandırılmakta, ayrıca sürtünme oksidasyonu, erozyon ve kavitasyon gibi aşınma çeşitleri de bulunmaktadır [35].
1.7.2. Beton ve Aşınması
Aşınma genellikle yavaş seyreden bir yıpranma olayı olduğu halde, zemin kaplamalarının ömrüne etkiyen önemli faktörlerden birisidir. Kaplamanın üzerinde oluşan sürtünme kuvvetleri yüzeyden parçalar kopararak aşınmaya neden olurken, kum, toz, vb. yabancı maddeler bu olayda şiddeti arttıran etken olurlar. Gerek aşınma olayının karmaşıklığı, gerekse yüzeysel aşınmayı oluşturan mekanik etkenlerin çok çeşitli olması nedeniyle, her türlü şartlarca zemin kaplamalarının aşınmasını ölçebilecek tek bir deney metodu geliştirilememiştir [35].
1.7.2.1. Betonda Yüzeysel Aşınma
Prior, betonun aşınmasını dört grupta toplamıştır [35].
1-) Beton döşemelerde yaya veya hafif araç trafiği, cisimlerin kayma, kazıma, frenleme olayından oluşan aşınma,
2-) Beton yollarda hafif veya ağır araçların zincirsiz veya zincirli lastiklerinin yarattığı aşınma,
3-) Baraj, su tüneli, köprü ayağı gibi su yapılarının betonlarında su ile taşman aşındırıcı parçacıkların yarattığı aşınma,
4-) Baraj, su tüneli ve diğer su taşıyıcı sistemlerde, sudaki kavitasyon olayının oluşturduğu aşınma.
Sert cisimler beton yüzeyini kazıyarak abrazif aşınmaya neden oldukları gibi, beton yüzeylerinde bulunan kum, toz ve yüzeyden kopmuş sert parçacıklar abrazif etkiyi arttırmaktadırlar. Havalı lastik tekerlekler vakum etkisiyle adezyon (yapışma) sonucu çimento hamuru ile aderansı zayıf olan daneleri yüzeyden koparmakta, bir çeşit adezyon aşınmasına neden olmaktadırlar. Diğer taraftan ağır araçların tekerleklerinin yuvarlanma hareketi, beton döşemelerde yorulma aşınmasına neden olabilmektedir. Su yapılarında, su ile taşınan sert parçacıklar abrazif aşınmaya, kavitasyon olayı da darbe ve yorulma etkisiyle beton yüzeyinden parçalar kopmasına neden olabilmektedir.
1.8. Yüksek Sıcaklık
1.8.1. Yüksek Sıcaklığın Betona Etkisi
Betonun diğer yapı malzemelerine göre en önemli bazı avantajları sıralandığında istenilen şekil ve boyutlarda üretilebilmesi, yüksek basınç dayanımına sahip olması, çelik donatı ile iyi aderansa sahip olması, diğer taşıyıcı malzemelere kıyasla yüksek sıcaklık ve yangın etkisine daha dayanıklı bir malzeme olması gibi özelikleri söylenebilir [29]. Beton, yanmayan madde oluşu, belirli bir süre için önemli bir zarar görmemesi ve zehirli duman çıkarmaması ile yangın direnci yüksek bir malzemedir [36]. Ancak bu dayanıklılık, sınırlı süre ve belirli sıcaklıklar için geçerlidir [21]. Örneğin 600ºC’ye maruz kalan beton, dayanımının % 70’ini kaybetmektedir [37].
Yüksek sıcaklık etkisiyle oluşan parça atmalar sonucu, donatılar yüksek sıcaklığa maruz kalırlar. Bu da yapı elemanının yük taşıma kapasitesini ve bütünlüğünü kaybetmesine neden olur. Yüksek sıcaklığın betona etkisi, betonun maruz kaldığı sıcaklık
ve sürenin yanı sıra çimento hamuru fazı ve agrega türüne bağlı olarak da değişir ve bu etki betonun basınç dayanımının belirgin bir şekilde azalması ile sonuçlanır [38,37].
Yüksek sıcaklık altındaki betonun dayanımını etkileyen faktörler çevresel ve malzeme faktörleri olmak üzere iki ana grupta toplanır. Çevresel faktörler ulaşılan en yüksek sıcaklık derecesi, bu sıcaklığa ulaşma hızı, bu sıcaklıkta kalma süresi, soğutma hızı, yükleme koşulları ve soğutma şekilleridir [39]. Malzeme faktörleri ise kullanılan agrega tipi ve özelikleri, kullanılan çimento tipi ve özelikleri, agrega-çimento hamuru aderansı ve kullanılan mineral katkıların özellikleridir. Beton yapıların yüksek sıcaklık etkisi altında kalma süresince ve sonrasındaki dayanımını tahmin edebilmek için yüksek sıcaklık etkisinde kalmış betonların dayanım ve şekil değiştirme özeliklerinin iyi anlaşılması gerekir [39].
Yüksek sıcaklıklar altındaki betonun dayanımda (hem basınç hem de çekme) ve sertliğinde (elastisite modülü) kayıplar oluşur. Bu kayıplarda, serbest suyun yer değiştirmesi ve buharlaşması, bağlanmış ve emilmiş suyun kaybedilmesi, 450°C’de kalsiyum hidroksitin ayrışması, 575°C’de kumların çoğunluğunu oluşturan kuvartzın α-kuvartz’dan β-kuvartz’a geçişi, 400-600°C’de CSH yapıların bozulması gibi etkenler rol oynar [40].
Betonun, farklı termal karakteristiklere sahip bileşenleri, nem ve poroziteden dolayı yüksek sıcaklık karşısında karmaşık bir davranış sergiler [41]. Bu nedenle betonun yüksek sıcaklık etkisindeki davranışı, çimento hamuru ve agrega için ayrı ayrı ele alınmıştır.
1.8.2. Yüksek Sıcaklığın Çimento Hamuruna Etkisi
Çimento hamuru, betonun ilk ısıtma esnasında çok istikrarsız olan bir bileşenidir. Çünkü önemli fiziksel ve kimyasal dönüşümler geçirir. Yapısındaki serbest su yaklaşık 100-200°C’ye varan düşük sıcaklıklarda buharlaşır. Yaklaşık 300°C ve üzerinde yapısındaki bağlı su kaybı ve kimyasal çözülme önemlidir. Isıl etkiler yaklaşık 600°C’nin üstünde erimeyle sonuçlanarak önem kazanır [42].
Beton bünyesinde su üç farklı şekilde bulunmaktadır. Bunlar, jel yapılı çimento hamurundaki kalsiyum silikat hidratenin (CSH) katı öğelerini birbirine bağlayan absorbsiyon suyu, hidratlardaki kimyasal bağlı su ve kılcal boşluklarda serbest sudur. Çimento türüne ve üretim sırasındaki su/çimento oranına bağlı olarak, betonda hacminin %4’ü kadar bulunabilen serbest su 100ºC’de, kimyasal bağlı su ise 300ºC’de buharlaşmaktadır. Sıcaklık etkisi ile bu mertebedeki suyun kaybı ile oluşacak büzülme ve
beton içinde oluşan buhar basıncı, donatı beton örtüsünün çatlamasına ve parçalanarak kopmasına neden olur. Beton örtünün tahrip olması sonucu donatı daha yangının başlangıcında sıcak gazla temasa geçer [37].
Şekil 1.4’de basitleştirilmiş boşluk suyu transferi görülmektedir. I suyun buharlaşması veya yoğuşması, II betonun içine suyun transferi, III ise suyun dış çevreye transferini temsil etmektedir [43].
Şekil 1.4. Boşluk suyu transferi [44].
Bilindiği gibi betonun basınç dayanımı ile porozitesi arasında ilişki bulunmaktadır. Betonun porozitesi arttıkça basınç dayanımı azalır [45].
Betonun katı fazları çimento hamuru ve agregalar, yüksek sıcaklığa maruz kaldığında gözenek yapısını etkiler. Katı fazlarda meydana gelen fiziksel ve kimyasal değişiklikler toplam porozitede ve gözenek boyutunun dağılımında değişikliklere neden olur.
Genellikle, sertleşmiş çimento hamuru 20-200ºC civarında genleşir. 200ºC’nin üstünde farklı yoğunlukların etkisiyle büzülür, bu sırada da agregalar genleşir. Bütün bu değişiklikler gözenek boyutunu büyütür [46]. 500ºC’ye kadar kapiler ve jel suyunun ayrılması toplam boşluk hacminde önemli bir artışa neden olur [47]. 600ºC’ye kadar toplam boşluk hacmi artar. Bu artış beklenenden fazladır ve ağırlık kaybıyla benzerlik gösterir. Bunun nedeni büzülen ara bölme duvarlar ve oluşan mikro çatlaklar olabilir. Yüksek sıcaklıklarda küçük boşlukların oranı azalır, bu da 900ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda sinterleşmeye neden olabilir [46].
Yüksek termal gerilmelere maruz kalmış betonlarda çatlak oluşumunun birçok nedeni vardır. Çimento hamurundaki başlangıç mikro çatlakların mevcudiyeti, sertleşirken oluşan
rötrenin sonucudur. Bu çatlaklar yüksek sıcaklıklarda kolaylıkla ilerlerler. Bunların bazıları 200ºC’nin altındaki sıcaklıklarda yok olurlar, sonuçta az miktarda ama daha büyük çatlaklar oluşur. Anhidrit tanelerin etrafındaki mikro çatlaklar da bu sıcaklıkta gelişir. 300ºC civarında çimento fazını geçerler ve agregaları çevrelerler. Sıcaklık 500ºC’nin üzerindeyken, çatlaklar çimento hamurunda gelişir, boyutları 0.01 mm’den büyüktür. Ayrıca agregaları çatlatırlar, bunların boyutları ise 0.05 mm’den büyüktür ve artık çatlaklar gözle görülebilir [46]. Şekil 1.5’de boşluk suyu basıncı ile sıcaklık arasındaki ilişki görülmektedir. 373.99ºC’de 22.64 MPa kritik su basıncı oluşmaktadır. Kritik noktanın üstünde su buhar halinde, altında ise sıvı halinde kabul edilir [48].
Şekil 1.5. Doygun buhar basıncı ile sıcaklık arasındaki ilişki [48].
Bazı araştırmacılar 100ºC civarında permeabilitede azalma bulmuşlardır. Bu diğer araştırmalarda aynı bölgede düşük basınç dayanımı bulunmasıyla çelişir. Olası tek açıklama artan basınçtan dolayı suyun yoğuşmasıdır, çünkü nemli betonun düşük dayanım gösterdiği bilinir. Benzer sıcaklık aralıklarında etrenjitin yok olmasıyla da ilişkili olabilir. Bu olay çok miktarda suyun serbest kalmasını sağlar ve taşıyıcı fazların azaldığı farz edilir [44].
Çimento hamurundaki bir diğer önemli bileşen kalsiyum hidroksittir (Ca(OH)2). Lea
and Stradling [49] kalsiyum hidroksitin (Ca(OH)2) kirece (CaO) dönüştüğünü ve
soğutulduktan sonra kirecin hidratasyonda genleşmesiyle ısıtma süresinde suyun betonda ciddi zararlara yol açabileceğini belirtmişlerdir [50]. Ayrıca soğutma süresince çatlak gelişimine ve agrega ile çimento hamuru arasında ayrışma olabileceğine dikkat çekmişler ve soğutma hızının etkisini ortaya koymuşlardır.
Lea and Stradling’i takiben yüksek sıcaklık uygulamalarında betonun en zayıf noktasının kalsiyum hidroksit problemi olduğu anlaşılmıştır [51]. Çimento hamuru %70-80 tabakalı CSH jeli, %20 Ca(OH)2 ve diğer kimyasal bileşenlerden oluşur [52]. Ca(OH)2,
530°C civarında sönmemiş kirece dönüşür. Bu dönüşümde %33’e varan bir büzülme oluşur. Yangın sırasında sıkılan su ile CaO tekrar Ca(OH)2’ye dönüşür, bu olay %44
mertebesinde bir hacim artışına neden olur. Bu hacim değişimleri sonucu bünyede çatlaklar oluşur, beton ufalanır, boşluklu bir yapıya dönüşür. Ca(OH)2’nin boşluklardan süzülmesi
yangın sonrasında yüzeyde beyaz lekeler oluşturur. Bu lekelerin varlığı yangında sıcaklığın 530°C’nin üzerine çıktığının kanıtıdır. Yüksek fırın cüruflu ve alüminli çimentolarla üretilen betonlarda Ca(OH)2’nin az olması nedeni ile bu lekeler daha az olabilir [37].
Ca(OH)2’nin CaO ve H2O’ya dönüşümü 500ºC civarında olurken, CSH’ın dehidratasyonu
110ºC’den itibaren başlamaktadır [53]. Her iki olay da çimento pastasındaki katı madde miktarının azalmasına neden olur.
Yüksek sıcaklık etkisi altında kalmış sertleşmiş çimento hamurunun mekanik özeliklerine ilişkin bir araştırma da Dias et all. tarafından yapılmıştır [54]. Şekil 1.6’da görüldüğü gibi yaklaşık 120°C’de çimento hamurunun sıcak ve bağıl dayanımları en küçük değerlerdedir. Dayanımın, 50-120°C aralığında en küçük düzeyde olmasının nedeni olarak, bünyesindeki suyun buharlaşma eğilimi ile hamurun şişerek aderans kaybına yol açtığı düşünülmektedir. Bundan sonra çimento hamurunun 300°C’ye kadar olan dayanımının iyileştiği görülmektedir.
Şekil 1.6. Çimento hamurunda dayanım ve sıcaklık ilişkisi [54].
Yapılan çalışmalarda, artan sıcaklıkla beraber sertleşmiş çimento hamurunda ağırlık kaybının arttığı (Şekil 1.7), statik ve dinamik elastisite modüllerinin kademeli olarak düştüğü görülmektedir (Şekil 1.8).
Şekil 1.7. Çimento hamurunda ağırlık kaybı ve sıcaklık ilişkisi [54].
Morsy et all. yaptıkları bir çalışmada su yalıtımsız sertleşmiş çimento hamurunun 300°C’ye yükseltilmiş sıcaklıktaki davranışı konusunda benzer sonuçlar elde etmişlerdir. Su yalıtımsız sertleşmiş çimento hamurunun basınç dayanımında, sıcaklığın 200°C’ye ulaşması ile bir düşüş olduğunu, 300°C’ye ulaştığında ise; dayanımın arttığını gözlemlemişlerdir. Basınç dayanımında 22-200°C aralığında gözlenen ilk düşüş, hamur içindeki su katmanlarının şişmesine ve aderans kaybına yol açmasına bağlanmıştır [55].
Sıcaklıkla beraber artan basınç dayanımı ise suyu alınmış çimento tanelerinin içsel otoklav denen faktörün eklenmesi ile ortaya çıkan buhar etkisi ile hidratasyonundan kaynaklanmaktadır [55,56].
1.8.3. Yüksek Sıcaklığın Betonun Fiziksel Özeliklerine Etkisi
Yüksek sıcaklık kütle, yoğunluk, gözeneklilik ve betonun rengi üzerinde bazı değişimlere neden olmaktadır. Fiziksel değişimler sırasında, betonun mekanik özeliklerinde de bazı önemli değişimler ortaya çıkmaktadır.
1.8.3.1. Birim Hacim Ağırlığı
Betonun yoğunluğu sıcaklık yükselmesi sırasında önemsiz bir değişim sergilemektedir. Bu değişim özellikle serbest suyun buharlaşmasına bağlı olmakla birlikte, ısıl genleşmenin yol açtığı hacim artışıyla da ilişkilidir. Söz konusu düşüş çoğunlukla önemsenmeye değer görülmemektedir. Sıcaklığın artması ile boşluklardaki suyun buharlaşması sonucu ağırlık azalır, genleşme nedeniyle hacim artar [57].
Porozite ve su içeriği betonun yangından sonraki hasar kontrol parametreleridir [44]. Isıtma sırasında betondaki ağırlık kaybı genellikle porozitenin artmasıyla sonuçlanır. Bu artış normal ve yüksek dayanımlı betonlar için yaklaşık lineer bir artıştır. Buna karşın ultra yüksek dayanımlı betonlar için bu geçerli değildir.
Anhidrit çimento tanelerinin çokluğu ve kılcal boşlukların neredeyse olmaması buharın salıverilmesini zorlaştıran nedenlerdir, fakat ağırlık kaybının derecesi arttıkça porozite etkili bir şekilde artar [46]. Ağırlık ve hacimdeki bu değişimler sonucu birim hacim ağırlığı azalır. Ancak bu azalma ihmal edilebilir düzeydedir [57].
Anderberg-Thelanderson sıcaklığın etkisi ile birim ağırlığın azalmasına sebep olan ağırlık kaybını silis esaslı agrega ile üretilen betonda araştırmış, bu çalışma sonucunda ağırlık kaybının sıcaklıkla değişimi Şekil 1.9’da verilmiştir. Schneider ve Bazant yaptıkları çalışmada 1000ºC’ye kadar yoğunluğun %11-13 arasında azaldığını belirtmişlerdir [58].
1.8.3.2. Boşluk Oranı
Betonda gözenek ölçümlerinin verdiği sonuçlara göre, 120ºC’nin altındaki sıcaklıklarda beton boşluk oranının çok az değiştiği görülmüştür. Yüksek performansa sahip betonun kalan toplam gözenekliliği 25, 70 ve 120ºC sıcaklıklarda neredeyse değişmemektedir. Katı mikro yapısı çok fazla değişime uğramamıştır [56].
Hem yüksek dayanımlı hem de normal dayanımlı betonlar için boşluk dağılımları artan sıcaklıkla birlikte daha büyük boşluk boyutlarına ulaşarak artmaktadır. Betonun sertleşmiş çimento hamurundaki toplam boşluk oranı 300ºC’den, 600ºC’ye kadar normal beton için yaklaşık %148 ve yüksek dayanımlı beton için %86 oranında önemli bir şekilde artmaktadır [56].
1.8.4. Yüksek Sıcaklığın Betonun Mekanik Özeliklerine Etkisi
Yüksek sıcaklıklar betonun bileşenlerinin kimyasal ve fiziksel kompozisyonunu değiştirir. Agrega ve çimento hamurundaki değişikliklere ek olarak, yüksek sıcaklık agrega ile çimento hamuru arasındaki aderansı bozmaktadır. Bozulan aderans dayanım ve rijitlik kaybına neden olur ve sünmeyi arttırır [40].
Genel olarak, betonda patlayarak kabuk atma, betonun mekanik özeliklerinde kayıpların artmasına neden olmaktadır. Deneysel sonuçlar 20°C ile 400°C arasında değişen sıcaklıklarda basınç dayanımının korunabileceğini veya artabileceğini belirtmiştir [59,60]. Basınç dayanımındaki önemli kayıplar 400 ile 600°C arasında meydana gelmektedir. Orijinal basınç dayanımının çoğu 600 ile 800°C arası kaybedilmektedir.
Yüksek sıcaklık etkisinde kalan betonların arta kalan dayanımların araştırıldığı birçok veri doğal soğutma koşulları altında elde edilmiştir. Ancak su sıkılması, suya daldırma veya su ile söndürme gibi işlemlerin kullanıldığı soğutma şekillerinde bu dayanım kayıpları farklılık göstermektedir. Betonun mekanik özeliklerine soğutma şeklinin etkisi büyüktür. Suyla soğutmayla havada soğutma karşılaştırıldığında, suyla soğutulan beton numunelerin dayanımlarında havada soğutulan numunelerin dayanımlarına göre çok ciddi dayanım azalmaları meydana gelmektedir [61].
1.8.4.1. Basınç Dayanımı
Yüksek sıcaklığa maruz kalan betonun basınç dayanımına, çimento tipi, agrega türü, su/çimento oranı gibi kullanılan malzeme özellikleri ve sıcaklığa maruz kalınan süre, nem
durumu, ısınma ve soğuma hızı, yükleme durumu gibi çevresel faktörler etken olmaktadır [36]. Normal dayanımlı betonun yüksek sıcaklıkta tek eksenli basınç dayanımı Şekil 1.10’da gösterilmiştir. İlk etapta artan sıcaklıkla beraber (120°C sıcaklığa kadar) meydana gelen düşüşlerden sonra betonun tek eksenli basınç dayanımı artar. Dayanım 200°C ve üstü sıcaklıklarda tekrar düşmeye başlar. Basınç dayanımı 800°C’de başlangıç değerine göre %80 değer kaybeder [56]. Normal betonun basınç dayanımı kür koşullarına bağlı olarak değişmezken, yüksek sıcaklıklarda beton dayanımındaki düşüşün nedeni olarak aderans bozulması ve çimento hamurunda kalsiyum silika hidrat jellerinin yapısının bozulması ve agregadaki ısıl genleşme farklılıkları olarak değerlendirilmektedir [ 62,56].
Şekil 1.10. Normal betonda basınç dayanımı-sıcaklık ilişkisi [62,56].
Betonda, çimento hamuru ve agregada ortaya çıkan aderans bozulması ve ısıl genleşme farklılıkları, beton dayanımının yüksek sıcaklıklarda azalmasına yol açan nedenler arasında kabul edilmektedir.
1.8.4.1.1. Betonda Isıtma Sürecinde Buharlaşabilir Suyun Basınç Dayanımındaki Rolü
Genel olarak, ilk başta nemli ve su yalıtımsız betonun basınç dayanımı sıcaklık artışıyla beraber düşer. Dayanım 80-100°C arasında önemli bir düşüş gösterir. Nem içeriği 20 ile 450°C arasındaki sıcaklıklarda betonun dayanımında önemli bir rol oynar. Betondaki emilmiş suyun çimento jelini yumuşattığı veya jel partikülleri arasındaki yüzey güçlerini (Van der Walls güçleri) zayıflattığı, böylece dayanımı azalttığına inanılır [63,56]. Beton basınç dayanımın 100°C ile 300°C arasındaki sıcaklıklarda azalması, çimento hamuru boşluklarının suyla dolması sonucu oluşan gerilmelerden kaynaklanmaktadır [64, 65,56].
Yaklaşık 80-100°C üzerindeki sıcaklıklarda emilmiş su ve ara katmanlardaki su kaçmaya başlar [66,56]. Bunun etkisi yukarıda anlatılan etkinin tersine çevrilmesi şeklinde
