Yüksek performanslı betonlarda erken yaş ısı gelişimi ve rötre

Abstract

Yüksek performanslı beton, uzun servis ömrü istenen özel yapılarda mineral katkıların ilavesiyle düşük su/çimento oranının elde edildiği ve kimyasal katkılarla işlenebilirliği artırılan, dayanımı yüksek bir betondur. Üretim sırasındaki yüksek maliyetine rağmen ileride uzun servis ömrü sayesinde daha ekonomik sonuçlar elde edilmektedir. Tez çalışmasında yüksek performanslı betonların erken yaştaki ısı gelişimi ve erken yaş rötresi ele alınmıştır. Bu tür betonlarda erken yaş davranışının incelenmesi ve önceden tahmin edilebilmesi, ileri yaşlardaki dayanım ve dayanıklılığının öngörülebilmesi açısından önem taşımaktadır. Bu doğrultuda beton bileşenlerinin özelliklerinin erken yaş davranışına etkisi araştırılmıştır. Erken yaş rötre ve ısı gelişimi davranışının tahmin edilebilmesi için ek çalışmalar yapılmıştır. Rötre için genel bir fonksiyon denklemi bulmaya çalışılmıştır. Isı gelişimi için ise bir simülasyon çalışması yapılmıştır. Betonun erken yaştaki ısı gelişiminin çimento hidratasyonu ile ilgisi olduğu bilinmektedir. Bu nedenle ekzotermik bir reaksiyon olan hidratasyonun nasıl ve ne hızda gerçekleştiği, bu reaksiyonun nelerden etkilendiği ve ortaya çıkardığı ısı miktarı araştırılmıştır. Hidratasyon mekanizması incelendiğinde, bir miktar çimento kimyasına da giriş yapılmaktadır. Burada çimentonun klinker yapısını oluşturan ana bileşenlerin hidratasyonda önemli bir rol oynadığı görülmektedir. Çimentodaki (C2S, C3S, C2A, C4AF) karmaoksitlerin bulunma miktarlarına göre çimentonun beton davranışı üzerindeki etkisi çeşitlenmektedir. Yüksek miktarda C3S ve C3A içeren çimentolu betonlarda daha yüksek ısı çıkışı olacağı bilinmektedir. Betonda erken yaşta oluşan bu yüksek ısının erken yaş çatlağına sebep olacağı tahmin edilmektedir. Yüksek ısının açığa çıktığı durumlarda hidratasyon reaksiyonunu yavaşlatmak için puzolanik katkıların eklenmesi de bir seçenektir. Genel olarak puzolanik katkıların ilavesi çimentonun hidratasyonu yavaşlatmakta ve ısıyı düşürmektedir. Ayrıca çimentoda boşlukları doldurucu etkisiyle su/çimento oranını düşürmekte ve betonun kalitesini artırmaktadır. Bu yüzden puzolanik katkılar yüksek performanslı betonlarda sık kullanılmaktadır. Bunun yanında su/çimento oranının düşmesi hidratasyon reaksiyonlarını azaltacağı için ısıyı da düşürmektedir. Betonun ısı gelişiminde agrega varlığı da önemli bir etkendir. Beton içeriğindeki agreganın tane boyutunun artması ve agrega hacminin artması, çimento miktarını düşüreceği için su ihtiyacı da azalmaktadır. Bu da hidratasyon reaksiyonu oranını azaltarak betonda gelişen ısıyı düşürecektir. Bunun yanında agrega türüne göre değişkenlik gösteren su emmesi fazla agregaların iç yapıdaki mevcut suyu depolaması, çimentodan suyu uzaklaştırarak hidratasyonu azaltmaktadır. Genellikle priz süresi kısa olan betonlarda ise daha hızlı bir ısı gelişimi olduğu görülmektedir. Çalışmada araştırılan bir diğer ana konu ise erken yaş rötresi ve erken yaş rötre özelinde de otojen rötredir. Düşük su/çimentolu betonlarda hidratasyon reaksiyonu sırasında su tüketildiği düşünülürse betondaki suyun azalmasının rötreye sebep olacağı tartışılmazdır. Bu durumda erken yaşlardaki rötre davranışının sebebini yakından incelemek ve başka nelerden etkilendiğini öğrenmek önemli olmaktadır. Erken yaşta sıklıkla kuruma, termal ve otojen rötre gözlenmektedir. Erken yaşlardaki otojen rötre kendiliğinden kuruma ve kimyasal rötrenin de bir toplamıdır. Çalışmada otojen rötre üzerinde durulmasının sebebi literatürde düşük su/çimento oranına sahip yüksek performanslı betonlardaki yüksek otojen rötrenin beton kalitesinin düşmesi üzerinden oluşturduğu kaygıdır. Erken yaşta meydana gelen yüksek otojen rötrenin çatlaklara sebep olacağı ve çatlakların ilerlemesi ile ileri yaşlarda durabilite bakımından zayıf bir beton elde edileceği düşünülmektedir. Bu durum ise yüksek performanslı betonların durabilite bakımından geleneksel betonlara karşı daha verimli olma iddiasını olumsuz yönde etkileyecektir. Bu nedenle çalışmada otojen rötre davranışına nelerin sebep olduğu ve erken yaş rötrelerle birlikte otojen rötrenin nelerden etkilendiği konusu üzerinde durulmuştur. Erken yaşta ısı gelişimini artıran hususların otojen rötreyi de doğru orantılı olarak artırdığını düşünmek doğru bir yaklaşımdır. Toplamda sekiz deney betonu; s/b oranı 0.32-0.40 aralığında CEM I ve CEM III çimentolu, agrega tipi ve boyutu değişken malzemeleri içermektedir. Betonların taze haldeki özelliklerinin tespiti için taze beton deneyleri yapılmıştır. Taze beton deneylerinden çökme deneyi, yayılma tablası deneyi, birim ağırlık deneyi, hava içeriği deneyi ve priz süresinin tayini deneyleri uygulanmıştır. Deney betonlarının erken yaş ısı gelişimi için yarı adyabatik kalorimetre deneyi yapılmıştır. Erken yaş rötre için ise lvdt (doğrusal şekil değiştirme probu) yardımıyla ölçüm alınmıştır. Betonların otojen rötresinin tahmini için bir model üzerinde çalışılmıştır. Literatürde de yer alan bu modelin yaklaşımı değerlendirilmiştir. Isı verileri ise hidratasyon tahmini için kullanılan genel hidratasyon modeli ile optimize edilmiştir. Değerlendirme ve yorumlar bu optimizasyon üzerinden gerçekleşmiştir. Betonların ısı gelişimini deney yapmadan tahmin edebilmek için ise bir simülasyon modeliyle hidratasyon davranışı taklit edilmeye çalışılmıştır. Bunu sağlamak amacıyla bilim insanları için oluşturulmuş sanal bir laboratuvarda VCCTL yazılımı ile mevcut malzemelerin kullanılabildiği bir ortamda simülasyon hazırlanmıştır. Bu yazılımın içindeki mevcut verilerin deney betonlarına benzemesi için yakın malzemeler seçilmiştir. Sonucunda simülasyon ve deney betonları kıyaslanmıştır. Mevcut deney betonlarının ısı gelişimi, bir simülasyon modeliyle yaklaşık tahmin edilebilirliğinin değerlendirmesi yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; Deney betonlarının; çimento inceliği ve s/b oranı arttıkça hidratasyon ısısı ve ısı gelişim hızı artmaktadır. CEM III çimentolu betonların hidratasyonu ilk saatlerde daha hızlı ve yüksek ısılıdır. Maksimum agrega tane boyutu (Dmaks), agrega su emmesi arttıkça ve puzolanik katkıların eklenmesiyle hidratasyon ısısında düşüş gerçekleşmekte ve hidratasyon gecikmektedir. Çimento inceliği ve hidratasyon ısısı artarken ve maksimum agrega tane boyutu (Dmaks), s/b oranı ve agrega su emme oranı azalırken otojen rötre yükselmektedir. Genel çıkarımları sağlamayan istisnalar mevcuttur. Deney betonlarının davranışındaki farklılıklar için mikroyapının incelenmesine ihtiyaç vardır. Erken yaş rötreyi tahmin edebilmek için bir model üzerinde çalışıldığında rötre verilerine uygun bir yaklaşım yapılabilmiştir. Bu model ile su/çimento oranı,agrega/çimento oranı ve katkı miktarının etkisiyle otojen rötrenin artış veya azalışı tahmin edilebilmektedir. Isı gelişimini tahmin edebilmek için VCCTL yazılımında bir simülasyon ile deney betonlarının hidratasyonu taklit edilmeye çalışılmış olup ilk 48 saatte oldukça iyi yaklaşım sağlanmıştır. Ancak ileri yaşlarda simülasyonun iyi çalıştığı söylenememektedir.