MAKALELER / HAZIR BETONDA KİMYASAL VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
HAZIR BETON ÜRETİMİNDE KİMYASAL VE FİZİKSEL ÖZELLİKLER
Bu özellikleri iki grupta sınıflandırmak mümkündür:
a) Taze Betonda:
· İşlenebilme özelliği, uygun kıvam
· Taze betonun sıcaklığı
· Agrega maksimum tane büyüklüğü
· Homojenlik, kıvam kaybı, hava miktarı,
· Birim ağırlık
b) Sertleşmiş Betonda:
· Dayanım (basınç, çekme, eğilme, yarılma mukavemetleri)
· Dış etkenlere karşı dayanıklılık (geçirimsizlik, aşınmaya dayanıklılık)
· Donma ve çözülmeye dayanıklılık
· Hafiflik veya ağırlık
· Isı, ses yalıtımı ve estetik (Brüt betonda dış görünüş)
· Ekonomi
Betonun Mühendislik Özellikleri
Betonarme yapıların dizaynında bazı beton özellikleri üzerinde varsayımlar yapılır. Bu varsayılan değerlerden biri de basınç dayanımıdır. Basınç dayanımının ortalaması karakteristik dayanımın 28. günde en az 1MPa üzerindedir.
Betonun mekanik özelliklerinin hizmet koşullarının hesaplanmasında önemi vardır. Daha yüksek sınıflarda beton kullanılmasının başlamasıyla buözellikler mühendisler tarafından daha da aranılır olmuştur.
Eurocode 2 ‘de verilen beton özellikleri dizayn için yeterlidir, ama daha uç noktalarda çalışmalar yapan mühendisler yazıda vereceğimiz bilgilere ihtiyaç duyacaklardır.
Örneğin, döşeme dizaynında döşemenin kalınlığı malzemenin elastisite modulu ile orantılıdır. Eğer kullanıcı yüksek elastisite modulu olan bir beton kullanımını öngörürse, kalınlıklarda azaltmalar yapabilir.
Betonun en çok ilgilenilen özelliği betonun basınç dayanımıdır. TS EN 206’ya göre beton basınç dayanımı sınıfı cinsinden belirtilir. Beton uygunluğu genel olarak basınç dayanımı olarak değerlendirilir. Bu nedenle bu yazıda basınç dayanımından çok diğer özelliklerden bahsedilecektir.
- Çekme dayanımı
- Elastisite modülü
- Sünme
- Büzülme
- Termal genleşme
- Yangın dayanımı
Ortalama Basınç Dayanımı Tahmini
Servis koşullarında betonarme yapı dizaynı yapanlara ortalama bir basınç dayanımı değeri gerekebilir. Bu değer genel olarak karakteristik basınç dayanımının 28. günde 3MPa üstü kadardır. Betonun karakteristik dayanımı, beton sınıfını tanımlama için kullanılan , istatiksel verilere dayanılarak belirlenen ve bu değerden daha küçük dayanım değeri elde edilmesi olasılığı , olan (TS EN 206’ya göre %5) dayanım değeridir.
Basınç Dayanım Gelişimi
EN 1992’de verilen denklemlerle betonun basınç dayanım gelişimi verilmiştir. Örneğin su-çimento oranının düşük olması gibi durumlarda veya farklı katkı kullanımlarında bu oranlar farklılık gösterebilir.
Çimento miktarı ve su-çimento oranı
Beton yerleştirme ısısı
Ortam sıcaklığı
Elemanın kalınlığı
Kalıp cinsi
Eğer beton gelişme hızı daha detaylı olarak gerekiyorsa bir bilgisayar programı yazılarak tahmin yapılabilir.
Betonarme yapıların dizaynında betonun çekme dayanımı öngermeli elemanların çatlama momentlerinin hesaplanmasında, çatlama genişliklerinin kontrol edilmesi için donatı hesaplanmasında , erken yaş termal gerilmelerinin neden olduğu çatlakların belirlenmesinde, sehim hesabının yapılmasında kullanılır. Özellikle yüksek sınıf beton kullanımıyla yapı elemanındaki çatlak ve sehim miktarı azalır. Diğer yandan yüksek dayanımlı betonlarda erken yaş termal gerilmeler daha geniş aralıklarla daha geniş açıklıkta istenemeyen çatlaklara neden olabilir.
Malzeme en zayıf halkasından kırılır. Deney uygulanan numune ne kadar büyükse o kadar büyük bir olasılıkla belli bir düzlemde boşlukllar meydana gelir. Bu nedenle yapı boyutu önemlidir. Eğilmedeki çekme dayanımı yarmadaki çekme dayanımından daha büyük olur. Yarmada çekme dayanımı da direkt çekme dayanımından daha büyük olur.
EN 1992 ‘de çekme dayanımı ile direkt çekme dayanımı belirtilmektedir. Normal yapıldaki kullanımlar için betonun çekme dayanımı aşağıdaki denklemlerle verilmiştir.
£C50/60 beton dayanımları için
fctm=0,3 x fck (2/3) MPa
³C50/60 dayanımlar için
fctm= 2.12 x loge (1+((fck+3)/10))MPa
fct= 0,9 fctsp olarak elde edilir.
fctm,fl=(1,6-h/1000)fctm veya
fctm,fl= fctm
Çekme dayanımı genelikle erken yaş termal çatlamalar için kullanılsa da EN 1992 betonun farklı olgunlukları için çekme dayanımı değerleri verir. Bu yapı elemanının bulunduğu ortam koşulları hesaplanarak çekme dayanımı hesap edilebilir.
|
Beton Sınıfı
|
Karaktersitik Basınç Dayanımı fck
MPa
|
Eşdeğer Küp Basınç Dayanımı
MPa
|
Karakteristik Eksenel Basınç Dayanımı, fctk
MPa
|
28 Günlük Elastisite Modülü Ec
MPa
|
|
C16
C18
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
|
16
18
20
25
30
35
40
45
50
|
20
22
25
30
37
45
50
55
60
|
1,4
1,5
1,6
1,8
1,9
2,1
2,2
2,3
2,5
|
27000
27500
28000
30000
32000
33000
34000
36000
37000
|
Çekme Dayanımının hesaplanması
Betonun çekme dayanımı ilgili şartlara göre EN 12390-6 veya EN 12390-5 ‘e göre hesaplanır. Alternatif olarak 3 nokta yüklemesi veya herhangi bir standardı olmayan direkt çekme deneyleri de yapılabilir.
Çekme dayanımı standardlarda 28 gün olarak verilse de çekme dayanımının zamanla gelişimi incelenmelidir. Bu belirlemede yarma veya eğilme deneyi ile ve her yaş için en az 6 numune alınarak yapılabilir. Ortalama dayanımlar bulunarak her yaş için bir çekme dayanımı hesaplanabilir. Ortam şartlatı kayıt altına alınarak çeşitli bilgisayar modellemeleri ile dayanımlar farklı olgunluklar için tahmin edilebilir.
Basınç dayanımının artırılması çekme dayanımını artırır. Pastanın miktarının artmasının çekme dayanımı üzerine fazla bir etkisi yoktur. İri agreganın çekme dayanımı üzerine belirgin bir etkisi vardır.
Elastisite modülü gerilme şekil değiştirme arasındaki orandır. Beton tam bir elastik malzeme olmadığından gerilme şekil değiştirme arasındaki oran sabit değildir. 3 Elastisite modülü vardır. Sekant modülü, tanjant modülü ve ilk tanjant modülü.
EN 1992-1’de Ecm kullanılır. Dizaynda kullanılan değer Ecd gce ile bölünmüş değerdir. gce değerinin 1.2 alınması tavsiye edilmektedir.
EN 1992’de E Değeri Hesaplamaları
Dizayn yapılırken en küçük E değeri dikkate alınır. Quartzit agregası kullanılan beton için E değeri aşağıdaki gibi hesaplanır.
Bu değerden kumtaşı agregası için %10, kireçtaşı agregası için %30 düşürülür. Bazalt için ise %20 artırılır. Fakat dizayn yapanların genellikle kullanılacak agrega tipinden haberleri yoktur. Ama bölgesel olarak betoncuların kullandığı agregalar ögrenilirse bu yardımcı olur. Genellikle yüksek dayanımlı beton kullanımında agregaların tipi şartnamede belirlenir.
TS 500’de Elastisite modülü
Ecj=3250Ö(fckj) +14000 (Mpa)
olarak verilmiştir. Fckj j günlük karakteristik dayanımdır. 0,4fck değeri gerilmesine karşılık gelen secant modülüne denk gelir.
Betonun statik elastisite modülünü ölçmek için çalışmalar CEN tarafından yapılmaktadır. “Creep” etkisinden kurtulmak için birkaç tekrarlı yükleme sonrası ölçüm yapılır. Bu ölçümden elde edilen değer yaklaşık olarak sekant değeridir. Şu an için hazırlanan taslakta tanjant modülü ölçümü bulunmamaktadır.
Elastisite Modülünün İyileştirilmesi
Betonun statik elastisite modülünü ölçmek için çalışmalar CEN tarafından yapılmaktadır. “Creep” etkisinden kurtulmak için birkaç tekrarlı yükleme sonrası ölçüm yapılır. Bu ölçümden elde edilen değer yaklaşık olarak sekant değeridir. Şu an için hazırlanan taslakta tanjant modülü ölçümü bulunmamaktadır.
Elastisite Modülünün İyileştirilmesi
Betonun elastisite modülü ya agrega yada beton sınıfı ile değiştirilebilir. Elastisite modülünü %20 artırmak için dayanım sınıf 3 sınıf artırmak gerekmektedir. Bu maliyeti agreganının değiştirilmesiyle karşılaştırarak değerlendirmek gerekir. Yüksek elastisite modülünü olan agrega kullanımı betonun elastisite modülünü artırır. Fakat daha düşük dayanımlı betonlarda bu artış daha az olur. Pasta miktarının arrtışı yüksek dayanımlı betonlarda elastisite modülünü artırır.
Betonun poisson oranı mc=0,2 olarak kabul edilir. Poisson: Dikey eksendeki elastik bölgede yanal şekil değiştirmenin boyuna şekil değiştirmeye oranı. Beton için genel 0.2 oranındadır. Metallerde 0.25 civarındadır.
Sünme
Sünme, sabit yük altında artan şekil değiştirme özelliği olarak tanımlanır. Diğer etkiler, büzülme termal şekil değiştirme gibi etkiler çıkarıldıktan sonra elde edilir. Örneğin bir döşemeden kalıp söküldükten sonra döşeme şekil değiştirir. Bu ilk şekil değiştirme elastik şekil değiştirme olarak tanımlanır. Zamanla döşeme genel olaralk sünme etkisiyle daha fazla şekil değiştirir. Sünme nedeniyle olan şekil değiştirme ilk şekil değiştirmeden daha fazla olabilir. Bu nedenle dizayn yapan tarafından dikkate alınmalıdır. Özellikle kiriş veya döşemenin altına hareketi engelleyici malzemeler konulduğunda bu hesaplamalara dikkat edilmelidir.
Sünme, öngermeli elemanlarda çekme gerilmelerini azaltır ve kolonlarda kısalmalara neden olur ve betondan donatıya olan yük transferini azaltır.
Sünme çekme gerilmelerinde faydalı olabilir. Kuruma rötresi , termal gerilme veya yükleme nedeniyle oluşan gerilmeleri azaltır.
Sünme deformasyonu :
ecc(¥,to) =F( ¥,to) . (sc/(1.05Ecm))
Bağıl nem iç ortamda %50 dış ortamda ise %80 alınabilir. Betonun karakteristik dayanımının %45’inden daha az yük taşıdığı varsayılır. Bu sınırdan sonra betonda çatlamalar meydana gelir ve sünme artar. EN 1992’de bu nonlinearliği dikkate alan denklemler vardır.
Rötre, kuruma rötresi ve otojen rötrenin birleşimidir. Otojen rötre hidratasyon reaksiyonları sırasında betonun içsel su tüketimi ile oluşur. Hidratasyon reaksiyonları sonucu oluşan ürünlerin hacmi orijinal hidrate olmamış ürünlerin hacminden daha fazladır. Bunun sonucu çekme gerilmeleri ve rötre oluşur. Normal betonda otojen rötre 100 mikron şekil değiştirme kadardır. Daha yüksek dayanımlı ve daha düşük su/çimento oranına sahip betonlarda kuruma rötresi daha fazla olabilir.
Kuruma rötresi atmosfere su buharlaşması ile oluşur. Bu buharlaşma genellikle çimento hamurundan kaynaklanır. Kuruma hızı bağıl nem, yüzey/hacim oranına bağlıdır. Bağıl nem arttıkça rötre azalır. Yüzey oranı arttıkça kuruma rötresi artar.
Kuruma rötresi atmosfere su buharlaşması ile oluşur. Bu buharlaşma genellikle çimento hamurundan kaynaklanır. Kuruma hızı bağıl nem, yüzey/hacim oranına bağlıdır. Bağıl nem arttıkça rötre azalır. Yüzey oranı arttıkça kuruma rötresi artar.
Dizayn sırasında rötre dikkate alınmalıdır. Eğer rötre engellenirse çatlamalar meydana gelir. Öngermeli betonda rötre gerilmelerin azalmasına neden olur.
Rötre denildiğinde otojen ve kuruma rötresi anlaşılmaktadır. Maksimum rötre aşağıdaki denklemle belirlenir.
eca(µ) = 2.5(fck-10)10-6
rötrenin zamanla gelişimi ise
eca(t) = eca(µ) x (1-exp(-0,2t0,5))
Engellenmiş rötre EN 1992’deki denklemle hesaplanır. Fakat bu değer %30 sapma gösterebilmektedir. Engellenmemişin anlamı donatısız veya diğer yapı elemanlarıyla engellenmemesi demektir. Ayrıca hesaplamalarda agreganın engellemesi dikkate alınmıştır. EN 1992’deki tabloda engellenmemiş rötre %40, bağıl nem de %0.28-1,6 arasındadır.
Sünme Katsayısı FCE(uzun süre sonunda)
- EN 1992 ve Rötre
- Rötre
- EN 1992’de Sünme
Şekil değiştirme servis yükleri altında oluştuğundan ortalama basınç dayanımı verecek E değerleri ortalaması uygundur. Elastisite modulu ölçümünde klasik basınç dayanımı ölçen aletler yetersiz kalabilir. Başlık bölümleri ağır ve daha az oynayan olduğundan farklı yerledeki şekil değiştirme ölçümlerinde farklı okumalar elde edilebilir. İlk tanjant modülünün belirlenmesi ultrason deneyleri ve dinamik modülü ölçümleri ile belirlenebilir.(BS 1881-209)
E Değerinin Ölçümü
Ecm=22[(fck+8)/10]0.3 GPa
E değeri çok önemli bir değerdir. Örneğin döşemelerde sehim hesaplamalarında , ön veya art germeli elemanların hesaplamalarında kullanılır. E değeri ayrıca kalıcı yük altında kolon kısalmalarını da etkiler.
- Elastisite Modülü
- Çekme Dayanımın İyileştirilmesi
Çekme dayanımının değerlerinin dağılımı normal basınç dayanımı dağılımından daha fazladır. Bu nedenle çekme dayanımını hedef olarak belirlenirken dikkat edilmelidir.
TS 500’e gore karakteristik çekme dayanımı ile karakteristik basınç dayanımı arasında ilişki fctk=0,35Ö(fck) olarak verilmiştir. Bu değerler eksenel çekme dayanımı için elde edilen değerdir. Eksenel çekme değerleri için basınç dayanımlarına göre sınıflar aşağıda verilmiştir.TS 500’e göre eksenel çekme dayanımı yarmada çekme dayanımının 1.5 ile bölümü, eğilme dayanımından elde edilen dayanımın 2 ile bölümüyle elde edilir.
EN 12390-5 ‘e göre belirlenmiş olan eğilme dayanımı eksenel çekme dayanımının yaklaşık 1.5 katıdır.
Çekme dayanımı EN 12390-6 ‘ya göre yapılan deneylerden
Çekme dayanımı EN 12390-6 ‘ya göre yapılan deneylerden
EN 1992’de Çekme Dayanımının Hesaplanması
Donatısız beton dizaynında örneğin yollarda, betonun çekme dayanımı dizaynda kullanılır. Bu durumda daha yüksek dayanımlı beton kullanmak istenilir. Çekme dayanımı özellikle lifli betonlarda kullanılır.
Çekme Dayanımı
EN 1992 aşağıdaki durumlar dışında dayanım gelişme hızını içermez.
Daha üst dayanım ortalaması aşağıdaki koşullarda kullanılabilir.
Daha sonraki günlerde de beton dayanım kazanmaya devam eder. Bir sene sonraki dayanım, kullanılan çimento cinsi ve mineral katkıya göre değişmekle birlikte daha fazla olabilir.
Bu yazıda betonun süneklilik kavramına değinilmemiştir. Betonarme yapıların dizaynında betonun çatlamasından sonra donatının çekme gerilmelerini alarak mafsallar oluşturacağı varsayılır. EN1992-1 yapıda süneklilik için farklı donatı tiplerini tanımlar. Ayrıca lif kullanımı da betonun sünekliliğini artırır fakat bu yazının ve Eurocode 2 kapsamının dışındadır.
Bu yazıda aşağıdaki bazı özelliklere niçin ihtiyaç duyulduğu ve nasıl belirlenebileceği ile ilgili bilgiler verilmektedir:
TS 500’de yapı malzemesi ile ilgili olarak verilen bilgiler bu yazıda belirtilen özelliklerle birlikte işlenecektir.
Yapı elemanının yüzey alanı da dikkate alınmalıdır zira yüsey alanı arttıkça betonun rötresi artmaktadır.
Sertleşmiş beton deneylerinde rötre ölçümü için bir standart bulunmamaktadır. Fakat tamir harçları için geliştirilmiş EN 12617-4 deneyi vardır. 40x40x160mm prizmalarda uygulanmaktadır. Kuruma rötresi servis koşullarında oluştuğundan deneylerde kullanılacak karışımlar için hedef su/çimento oranı aynı olmalıdır. EN 1992’deki denklem kullanılarak farklı bağıl nem ve farklı zamanlardaki rötre miktarları incelenebilir.
Rötrenin Azaltılması
Normal dayanımlı betonların rötresi 100 mikro şekil değiştirme kadardır ve daha fazla azaltmanın büyük bir faydası olmaz. Yüksek dayanımlarda ve düşük su/çimento oranlarında daha etkili olur. Yüksek dayanımlı betonlarda otojen rötrenin miktarını azaltmak için çimento hamuru miktarı azaltılmalıdır. Kuruma rötresi genellikle çimento hamurundan ve bazen de agreganın kuruması sonucu oluşur. Agregalar çimento hamuru rötresini engeller böylece daha fazla agrega hacmi ve daha yüksek E değeri olan agrega var ise rötre o kadar az olur. Agrega hacmi %70’te %75’e çıktığında rötre yaklaşık olarak %20 azalır. Agregaların da rötresi yüksek olursa rötre çok daha fazla artar. Kimyasal katkılar kullanılarak çimento miktarı artırılmadan su/çimento oranı azaltılırsa kuruma rötresi azalacaktır. Daha büyük maksmimum agrega boyutu da daha az çimento hamuru ihtiyacı olacağından rötreyi azaltacaktır.
Termal genleşme katsayısı, donatı veya başka bir yapı elemanı ile engellenmemiş beton için sıcaklık derecesi başına şekil değiştirme olarak belirlenir. Tipik beton için 8-13 mikro şekil değiştirme Kelvin olarak bilinir.
Betonun sıcaklığı değiştikçe beton genleşir veya küçülür. Bu özelliğin yapıda bir çok etkisi vardır. Derzlerin kesiminden, küçülme sırasında çatlakları kontrol etmek için gerekli donatının hesaplanmasında rötre değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Çimentoda oluşan hidratasyon ısısından kaynaklanan sıcaklığın yükselmesi ve sonrasında küçülmeden kaynaklanan erken yaş termal çatlaklarına neden olabilir. Çatlaklar engellenmek istenildiğinde , gerekli donatının hesaplanması için betonun genleşme katsayısının bilinmesi gerekmektedir. Termal genleşmesi önlenirse kullanılacak donatı miktarı da azalır.
Betonun sıcaklığı değiştikçe beton genleşir veya küçülür. Bu özelliğin yapıda bir çok etkisi vardır. Derzlerin kesiminden, küçülme sırasında çatlakları kontrol etmek için gerekli donatının hesaplanmasında rötre değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Çimentoda oluşan hidratasyon ısısından kaynaklanan sıcaklığın yükselmesi ve sonrasında küçülmeden kaynaklanan erken yaş termal çatlaklarına neden olabilir. Çatlaklar engellenmek istenildiğinde , gerekli donatının hesaplanması için betonun genleşme katsayısının bilinmesi gerekmektedir. Termal genleşmesi önlenirse kullanılacak donatı miktarı da azalır.
Betonun termal genleşmesi yaş ve nem miktarı ile değişkenlik gösterir. Kuru betonun termal genleşmesi suya doygun olandan daha fazladır. EN 1992’ de termal genleşme katsayısı daha fazla bilgi verilmediğinde 10 mikro şekil değiştirme /kelvin olarak alınabilir.
Termal genleşme ile ilgili olarak bir standart mevcut değildir. Genel olarak bir su tankına konulan betondan alınan ölçümler ile belirlenir. Farklı sıcaklıklarda ölçümler alınır ve genleşme katsayısı belirlenir.
Termal genleşmesi az olan agrega kullanılması termal genleşmeyi azaltır. Çimento hamurunun azaltılması bir miktar genleşmeyi azaltır.
Beton yanmaz, yangını iletemez ve duman oluşturmaz. Bu nedenle beton yangına karşı A tipi dayanıma sahiptir. Beton ısıyı yavaş iletir, böylece bir kalkan vazifesi görür ve yangın sırasında dayanımının büyük kısmını muhafaza eder. Betonu yangından etkileyen en büyük husus yüzey atmalarıdır. 300oC’de başlar ve en fazla 500C’de görülür. Betondaki yavaş ısı iletiminden dolayı yüksek sıcaklık yüzeyde kalır ve yüzeyde su buharına dönüşerek yüsey atmalarına sebep olur. Yüzey atmaları beton dayanımı yükseldikçe artar, betonun nem oranı arttıkça artar. EN 1992’de aks uzaklıklarına bağlı olarak donatının ulaşacağı sıcaklıklar hesaplanır.
Betonun yangın dayanımın artırılmasına gerek yoktur. Fakat kalker tipi agregaların kullanılması silissi agregalara göre dayanımını artırır. Hafif agrega kullanımı performansını artırır. Hafif agregalar suya doygun halde ise performansını da kötü hale getirebilir. Kalsiyum alimunatlı çimentonun yangın dayanımı daha fazladır. Fakat yapılarda değil daha çok refraktör üretiminde
kullanılır.
kullanılır.
- Yangın Dayanımı
- Termal Genleşmenin Azaltılması
- Termal Genleşmenin Ölçümü
- Termal Genleşme Katsayıları
Agregaların rötresi EN 1367-4’e göre deney yapılarak belirlenir. %0.075 ‘ten fazla kuruma rötresi olan agregaların kullanılmaması tavsiye edilir. Otojen rötresinin hesaplanması için ise bir standart bulunmamaktadır.
Rötrenin Ölçümü
TS 500’de bağıl neme , yükleme yaşına , eşdeğer kalınlığa göre rötre şekil değiştirmesi hesaplanır. Ara değerler için doğrusal oranlama yapılabilir.
YAPI KİMYASALLARI ANSİKLOPEDİLERİ
SOLVER KİMYA
