Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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