YENİ NESİL ERKEN YAŞ YÜKSEK DAYANIMLI

ÇİMENTO BAĞLAYICILI ONARIM MALZEMESİ

Doç. Dr. Mustafa ŞAHMARAN

Gazi Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi

İnşaat Mühendisliği Bölümü

Yapılar Kaliteli Yaşamı Destekler mi?

Hayatımızda Beton

Beton dünyada en yaygın biçimde kullanılan yapı

malzemesidir. Dünya çapında yıllık üretim miktarı

yaklaşık 13 milyar ton seviyelerindedir. İnsanoğlu

sadece suyu betondan daha yüksek oranda

tüketmektedir.

Neden Beton?

Yapımı kolay

Su, çimento, kum, çakıl..

Kolay şekil verilebilir

Akıcı, püskürtülebilir..

Güvenli

Yangına ve depreme

dayanım..

Tarihsel olarak kanıtlanmış

100 yılı aşkın servis ömrü..

Ekonomik

Betonarme Yapılardaki Problemler

Aşırı yüklemeler altında

güvenlik eksikliği

Uzun süreli kullanımda

dürabilite (çevresel etkilere

karşı dayanıklılık) eksikliği

Sürdürülebilirlik açısından

zayıf oluşu – beton yapıların

çevreye olumsuz etkileri

Beton Daha Dayanıklı ve

Sürdürülebilir Olabilir mi? Betonarme elemanların dürabilite zayıflıkları

Geçirimsiz

Çatlakların yok edilmesi

Enerji tüketimi ve çevreye etkileri

Endüstriyel atıklar (uçucu kül, cüruf…)

Servis ömrünün arttırılması

Aşırı yüklemelere karşı dayanımı

Yüksek süneklik

Yüksek dayanım

100+yıl

Sorun

Çözüm

Evet!

Tasarlanmış Çimento Bağlayıcılı Kompozitler (ECC)

Beton Daha Dayanıklı ve

Sürdürülebilir Olabilir mi?

Çok Tabanlı Tasarım Yaklaşımı

Çatlak Boyunca Agreganın/

Liflerin Köprüleme Özelliği

Kompozitin Mekanik ve

Dürabilite Özellikleri

Sabit ve Kararlı Durum

Çatlak Analizleri

Matris, Lif, Arayüz

arayüz

Mikro-mekanik

Mikro-yapı

çimento kum

uçucu kül

Reolojik Kontrol

Griffith Çatlak & Düz Çatlak

Griffith Tipi

Çatlak

Kırılmış veya

yumuşamış

“yaylar”

Kararlı Durum

Düz Çatlak sss

Şekil değiştirme yumuşaması

Normal Lif

Donatılı Beton

ECC

Şekil değiştirme sertleşmesi

Çimento Bağlayıcılı Kompozitler (ECC)

ECC’nin Avantajları

Sünek ECC Kırılgan yüksek dayanımlı beton

Geleneksel ECC Karışım Tasarımı

çimento

Uçucu kül

kum

PVA Lifleri

Malzemeler Oran

Çimento 1

Kum 0.8

Uçucu kül 1.2

Su azaltıcı katkı 0.013

Su 0.58

PVA Lifleri (%) 2

Bağlayıcı Malzeme Tipinin Lif

Yüzey Özelliklerine Etkisi

Kaplamasız 1.2% su itici yağ kaplamalı

10-100 nm

50 mm

Portland Çimentosu

Bağlayıcı Malzeme Tipinin

Arayüz Özelliklerine Etkisi

Uçucu Kül

Öğütülmüş Yüksek Fırın cürufu

Hidrate

olmamış

uçucu kül

Aşınmış lif

yüzeyi

Uçucu kül Öğütülmüş yüksek fırın cürufu

Bağlayıcı Malzeme Tipinin

Arayüz Özelliklerine Etkisi

Ca

SiAl

O

C

Yüksek karbonlu

C: 9.11 wt%

O: 30.96

Mg: 1.35

Al: 5.01

Si: 11.23

Ca: 42.34 Ca

SiAl

O

C

Düşük karbonlu

C: 3.75 wt%

O: 31.73

Mg: 2.00

Al: 5.67

Si: 12.10

Ca: 44.74

Amorf Karbon ile Lif Yüzeyinin

Kaplanması

Dokunulmamış PVA Lifi Lif yüzeyinde karbon taneciklerinin

toplanması

ECC PERFORMANS

ÖZELLİKLERİ

Kısıtlanmış rötre deneyi (AASHTO PP-34-99’a

benzer)

Kısıtlanmış Rötre

Kısıtlanmış rötre

halkaları

Çelik halka

Çatlak ölçümü

Numune

Mikroskop

Geçirimlilik

Referans beton:

1mm çatlak genişliği

Geçirimlilik= 1.0 m/s

ECC:

80µm çatlak genişliği

Geçirimlilik = 1x10-11 m/s

ECC’nin geçirimliliği çatlaksız betonla eşdeğerdir.

Donma Çözülme Direnci Beton kiriş numunesi:

110 çevrim sonucunda kırılmıştır

Dürabilite faktörü = 10

Numunelerde ciddi bozulma ve pullanmalar

olmuştur

ECC kiriş numunesi:

300 çevrimini tamamlamıştır

Dürabilite faktörü = 100

Numunelerde çok az pullanma gözlenmiş,

ancak bozulma meydana gelmemiştir

ECC_1

ECC_2

ECC-Matris ASTM C 672

ASTM C 666-A

ASR Direnci Hızlandırılmış Harç Çubuğu Testi

(ASTM C 1260)

Reaktif agreganın bulunduğu durumlarda dahi ASR ECC için sorun teşkil etmemektedir.

Yüksek hacimlerde mineral katkı kullanımı

PVA liflerinin varlığı (%2’lik PVA-lif hacmi genleşmeyi %15 oranında azaltmaktadır).

Paslanma Direnci

a) Paslanma sonrası geleneksel harç numunesi b) Paslanma sonrası ECC

Kabuk Atma Direnci

50mm

120mm

120mm

120mm

50mm Beton ECC

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Dairesel şekil değiştirme (mm)

0

5

10

15

20

25

30

35

Y

ük,

P (

kN

)

ECC2

ECC1

Beton

Kaplama Özellikleri

Beton kaplama: Gevrek kırılma şekli Yansıma çatlağına düşük direnç Yüksek bağ ayrışması

ECC kaplama: Sünek kırılma şekli Kopma, yapraklanma ve yansıma çatlağı oluşumuna karşı direnç Yayılma ve yakalama mekanizması Yüksek enerji yutma kapasitesi Eğilme altında bağ ayrışmasından bağımsız kırılma

ECC’de Kendiliğinden İyileşme Kendiliğinden iyileşme: hasara maruz kalmış betonun çatlaklarını çeşitli

mekanizmalar aracılığıyla kapatması

CaCO3 oluşumu

Devam eden

hidratasyon

Çatlak Yolu

Geçirimliliğin Azalması

Kİ Öncesi

Kİ Sonrası

CW = 80 mm CW = 100 mm

Çatlak yolu

CaCO3

Oluşumu

Mikro-yapısal Gözlemler Tekrarlı önyüklemeler sonucunda aynı

noktadan birçok kez iyileşme

Özellikler Geleneksel Beton ECC

Boyutsal uyumluluk Zayıf Geleneksel betonla çok uyumlu

Şekil değiştirmesi kapasitesi 0.01% - 0.02% ~ 2-5% (yaklaşık 200-500 kat daha

sünek)

Eğilmede çekme dayanımı

(MPa)

4-7 10-14 (yaklaşık iki kat daha yüksek)

Basınç Dayanımı (MPa) 30-60 30-180 (üç kata kadar daha yüksek)

Kısıtlanmış rötre çatlak

genişliği

1 mm 0.03 mm

Geçirimlilik (m/s) 1.7 x 10-5 2.5 x10-10 (çok düşük geçirimlilik)

Dona karşı dayanım Hava sürüklenmişse iyi En az hava sürüklenmiş beton kadar

dayanıklı

Yorulma mukavemeti Zayıf Geleneksel betona oranla onlarca kat

daha iyi

Çatlama/Tabakalanma

Korozyona dayanım

Darbe dayanımı

Gevrek

Zayıf

Zayıf

Sünek

Üst Düzey

Üst Düzey

Kendiliğinden iyileşme

kabiliyeti

Zayıf/Yok Üst Düzey

Geleneksel Beton - ECC

SÜRDÜRÜLEBİLİR YENİ

NESİL ONARIM MALZEMESİ

GELİŞTİRİLMESİ İHTİYACI

Sürekli Bozulan Altyapı Beton altyapıların performansındaki azalmalar genellikle çatlak oluşumuyla ilişkilidir.

Azalan yapısal performans çoğu zaman hızlı bakım/onarım ihtiyaçlarını doğurmaktadır.

Onarım uygulamaları için gerekli maliyet Avrupa’da halihazırda yeni inşaat yapım maliyetini aşmış durumdadır.

Çatlak oluşumu sebebiyle sürekli daha kötü bir hal alan yapısal bozuklukların tamirinde kullanılan geleneksel onarım malzemelerinin yarısı saha koşullarında kısa sürede kullanılamaz hale gelmektedir.

Erken Yaş Yüksek Dayanımlı Onarım Malzemeleri için Sınır Değerler

Kalifornia Ulaştırma Departmanı’na göre, minimum 2.76 MPa eğilme dayanımı

New Jersey Ulaştırma Departmanı’na göre, 6 saat sonunda minimum 20.7 MPa basınç

dayanımı ve 2.41 MPa eğilme dayanımı

Michigan Ulaştırma Departmanı’na göre 2 saat sonunda 13.8 MPa, 4 saat sonunda

17.2 MPa ve 28 gün sonunda 31 MPa minimum basınç dayanımı

Parker ve Shoemaker (1991)’a göre, en az 13.8 MPa’lık basınç dayanımı

Zia ve arkadaşları’na (1991) göre ilk 4 saat içerisinde en az 20.7 MPa ve ilk 24 saat

içerisinde en az 34.5 MPa’lık basınç dayanımı

ABD Federal Karayolu İdaresi’ne göre, 3 saat sonunda en az 6.9 MPa, 24 saat

sonunda ise 20.7 MPa’lık basınç dayanımı

Ne Gerekli?

İdeal Onarım Malzemeleri

Yüksek

Dayanım Süneklik Düşük

rötre

Üstün bağ

performansı

YENİ NESİL ERKEN YAŞ YÜKSEK

DAYANIMLI ÇİMENTO BAĞLAYICILI

ONARIM MALZEMESİ

Hedefler

6 saat sonunda minimum 20 MPa basınç dayanımı

Düşük erken yaş rötresiyle beraber yüksek süneklik

Alt tabaka malzemesiyle üstün bağ oluşumu

Birbirinden tamamen farklı tasarım yaklaşımlarına sahip parametrelerin eş zamanlı olarak elde edilmesi

HES-ECC Karışım Tasarımı ve Özellikleri

Erken yaş yüksek dayanımlı çimento

(CEM I 52.5R)

Öğütülmüş yüksek fırın cürufu

Kuvars Kumu

Hafif Agg.(Genleştirilmiş Perlit)

Sentetik lif

Su

Su azaltıcı katkı

Priz hızlandırıcı

Geleneksel onarım malzemesi

Alt tabaka betonu (28 gün day. 30 MPa)

Çimento

Cüruf

Kum

HA PS boncuklar

Lif

HES-ECC Karışım Oranları

Bileşenler HES-ECC_1 HES-ECC_2 HES-ECC_3

ATB Kontrol 50% Kontrol 50% Kontrol 50%

Toplam su 0.41 0.41 0.37 0.37 0.34 0.34 0.45

CEM I 52.5R 1 1 1 1 1 1 -

CEM I 42.5R - - - - - - 1

Cüruf 0.75 0.83 0.60 0.60 - - -

İri agrega - - - - - - 0.43

İnce agrega - - - - - - 0.44

Silis kumu 0.82 0.41 0.73 0.37 1.09 0.55 -

HA (Perlit) - 0.14 - 0.12 - 0.19 -

PVA lifleri, % 2 2 2 2 2 2 -

Su azaltıcı katkı 0.019 0.011 0.015 0.010 0.010 0.004 0.004

Priz hızlandırıcı 0.016 0.017 0.015 0.015 0.014 0.014 -

Hava sürükleyici - - - - - - 0.001

Toplam [S/(PÇ+C)] 0.23 0.23 0.23 0.23 0.34 0.34 0.45

C/PÇ 0.84 0.84 0.60 0.60 - - -

Karışımların Test Edilmesi Basınç dayanımı

(50 mm küpler, 6 s, 24 s, 28 g)

Eğilme parametreleri (dayanım, sehim)

(360x75x50 mm kirişler, 6 s, 24 s, 28 g)

Otojen rötre kanalları

1000x90x60 mm , 2s’ten 7 güne kadar)

Teflon

LVDT’ler

Teflon

levhalar

95±5% BN, 23±2 oC

50±5% BN, 23±2 oC

Bağ Özellikleri

Eğik Kesme

Direk çekip koparma

Pürüzsüz yüzeye sahip, donatısız, 3 cm kalınlığındaki 1 yıllık alt tabaka betonu.

5 cm çapa sahip, 1.5±0.5 cm derinliğe kadar delinmiş karotlar

Karışımların Test Edilmesi

SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Mekanik Özellikler

Karışım Adı

Basınç dayanımı

(MPa)

Eğime dayanımı

(MPa)

Sehim (mm)

6s. 24s. 28g. 6s. 24s. 28g. 6s. 24s. 28g.

HES-ECC_1

Kontrol 26.9 64.4 95.1 8.0 9.5 11.1 3.6 2.7 1.0

i_50% 22.0 47.2 82.5 7.9 8.9 11.3 3.7 3.3 2.4

HES-ECC_2

Kontrol 33.6 68.4 93.0 8.7 10.0 12.5 2.8 2.0 1.2

i_50% 28.3 51.3 78.4 7.8 9.1 11.5 3.7 3.1 2.2

HES-ECC_3

Kontrol 29.6 56.2 75.7 7.2 8.6 10.2 2.3 1.9 1.0

i_50% 19.0 36.5 51.2 6.2 6.9 9.5 3.4 2.9 2.2

Onarım Malzemesi 21.9 45.1 76.0 5.1 5.7 8.1 0.57 0.45 0.31

Otojen Rötre Sonuçları

Karışım Adı

Otojen rötre

(µε)

24s. 7h.

HES-ECC_1

Kontrol 1336 1627

İ_50% 360 802

HES-ECC_2

Kontrol 1271 1471

İ_50% 432 796

HES-ECC_3

Kontrol 666 706

İ_50% -113 -140

Onarım Malzemesi 98 96

Eğik Kesme Deneyi Karışım Adı

Bağ dayanımı (MPa) Kırılma şekli

1 gün 7 gün 28 gün 28 gün

HES-ECC_1 Kontrol 8.4 22.9 24.2

Tamamı alt tabakadan İ_50% 5.5 17.6 20.8

HES-ECC_2 Kontrol 9.2 24.0 25.6

Tamamı alt tabakadan İ_50% 7.5 20.0 23.8

HES-ECC_3 Kontrol 7.1 17.0 20.8

Tamamı alt tabakadan İ_50% 4.7 15.7 19.0

OM 6.9 18.0 21.6

2’si eğik ara yüzeyden

1’i monolitik şekilde

3’ü alt tabakadan

ACI bağ dayanım

aralığı 2.8 ile 6.9 6.9 ile 12.4 13.8 ile 20.1 -

*Varyasyon katsayısı %6’dan az

Direk Çekip Koparma Deneyi Karışım Adı

Bağ dayanımı (MPa) Kırılma şekli

1 gün 7 gün 28 gün 28 gün

HES-ECC_1 Kontrol 1.93 1.85 1.79 6 alt tabakadan, 2 arayüzden

İ_50% 2.12 2.18 2.22 Tamamı alt tabakadan

HES-ECC_2 Kontrol 2.13 2.07 1.98 Tamamı alt tabakadan

İ_50% 2.45 2.53 2.64 Tamamı alt tabakadan

HES-ECC_3 Kontrol 1.83 1.81 1.87 5 alt tabakadan 3 arayüzden

İ_50% 1.93 2.05 2.11 Tamamı alt tabakadan

OM 1.51 1.54 1.72

3 onarım malzemesinden

3 arayüzden

2 alt tabakadan

*Varyasyon katsayısı %15’ten az

Çok yüksek sünekliliğe sahip HES-ECC, yapıların daha güvenli, dayanıklı ve

sürdürülebilir olmasına katkıda bulunacaktır.

Deprem kuşağında olan ülkemizdeki yeni yapılacak olan veya depreme karşı

güçlendirilecek olan yapılar için geleneksel beton kullanımına göre daha ekonomik ve

teknik açılardan önemli avantajlar elde edilecektir.

Mikro-mekanik tasarım yöntemleri, HES-ECC tasarımlarında kullanılan güçlü bir

araçtır. Fakat bu tasarım yöntemi mikro-yapısal ve reolojik kontrol çalışmaları ile

birlikte dikkate alınarak çok daha yüksek performanslı kompozitler daha ekonomik ve

dayanıklı bir şekilde geliştirilebilir.

Geliştirilen bu çimento esaslı kompozit, kendiliğinden iyileşme yeteneği sayesinde

çatlaksız, ve dayanıklı ve sünek yapısı ile yapıların güçlendirme faaliyetlerinde,

karayolu ve havalimanlarının rijit ve esnek üstyapı kaplamalarında başarılı biçimde

kullanılabilecektir.

Birbirinden bağımsız tasarım parametrelerine sahip özellikleri aynı anda barındıran

HES-ECC karışımlarının sürdürülebilir onarım ihtiyacını tam anlamıyla karşılayacağı

düşünülmektedir.

Sonuçlar

Sonuçlar

TEŞEKKÜRLER