REAKTİF PUDRA BETONLARI

REAKTİF PUDRA BETONLARI
En yaygın inşaat tekniği olan betonarme sistemler betonun birim ağırlığının yüksek olması nedeniyle yüksek öz ağırlıklara sahiptir. Günümüzde daha geniş kullanım alanlarına duyulan ihtiyaç, yapılara etkiyen dış kuvvetlerin artmasını beraberinde getirmektedir. Kullanılan konvansiyonel yapı malzemeleri ile bu kuvvetlerin karşılanması ise büyük eleman kesitleri ile mümkün olabilmektedir. Ultra yüksek performanslı beton olarak da bilinen Reaktif Pudra Betonu (RPB) bu sorunun ortadan kaldırılabilmesi amacıyla geliştirilmiş bir yapı malzemesidir. Geçtiğimiz son on yıl içerisinde geliştirilen RPB 200 MPa ve üzerinde basınç dayanımları verebilmektedir. Betonda kullanılan çelik lifler betonun sünekliğini artırdığından malzemenin tokluğu ve eğilme dayanımı yüksek seviyededir. Böylece yapısal kesitlerde kullanılan beton içerisine çelik donatı yerleştirilmesine
gerek kalmamaktadır. RPB ayrıca deprem sonrası yapıların güçlendirilmesi amacıyla hasar görmüş yapılarda tünel ve savunma amaçlı yapıların inşaatında ve ağır atık depolamada kullanılan bir malzemedir.
Anahtar Kelimeler: Reaktif Pudra Betonu, Mekanik Dayanım, Kompozit Malzeme
1. GİRİŞYapı malzemesi olarak beton, agrega, çimento, su ve gerektiğinde bazı katkı maddelerinin kullanılmasıyla üretilen kompozit bir malzemedir. Üretiminin kolaylığı, istenilen şeklin verilebilmesi, yüksek basınç dayanımı ve ekonomik olması nedeniyle beton; günümüzde vazgeçilmez bir yapı malzemesi konumundadır. Hem betonarme hem de çelik yapı sistemlerinde betonun kullanılmadığı alan neredeyse yoktur. Beton teknolojisi ise bu yoğun talep karşısında sürekli bir gelişim içerisindedir. Geçmişte 1960`lı yıllarda erişilebilen en yüksek beton basınç dayanımı 15-25 MPa arasında iken 1970`li yıllarda yüksek katlı yapılarda kolon yüklerinin temele taşıtılabilmesi için 40-50 MPa beton basınç dayanımlarına ulaşılmıştır. Zaman içerisinde dayanımları artan bu betonlara yüksek performanslı beton adı verilmiş ve yol, köprü, liman yapısı vb. uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. Betondaki dayanım artışına paralel olarak zaman içerisinde su/çimento oranında da düşüş gerçekleşmiştir. 1950`li yıllarda su/çimento oranı 0.60-0.70 aralığında değişirken 1970`li yıllarda akışkanlaştırıcıların devreye girmesi ile bu aralık 0.40-0.55`ye düşmüş, 1980 ve 1990`lı yıllarda ise süper akışkanlaştırıcılar sayesinde söz konusu su/çimento oranı 0.25-0.35 aralığına inmiştir. Tüm bunlarla birlikte 1980`li yıllardan sonra ultra ince mineral katkı olan silis dumanının beton içerisinde kullanımının yaygınlaşması ile dayanımlarda çok yüksek artışlar sağlanmıştır. Daha sonra su/çimento oranının 0.20 nin altına düşürülmesi ile yeni kuşak süperakışkanlaştırıcılar, kısa kesilmiş yüksek dayanımlı çelik teller ve sıcak su kürü ve basınçlı su buharı kullanarak beton basınç dayanımları 200 MPa`ın üzerine
çıkarılmıştır.
2. REAKTİF PUDRA BETONU
Çimento ile üretilen kompozitlerin yüksek mekanik özelliklere erişebilmesi konusunda son yıllarda birçok araştırma gerçekleştirilmiştir. İlk olarak 1930`lu yıllarda Eugene Freyssinet taze betona priz sırasında uygulanacak basınç kuvvetinin, betonun basınç dayanımını artırmada olumlu etkisi olduğunu söylemiştir. 1960`lı yıllarda ise yüksek sıcaklık ile artan basınç kürü uygulanarak beton basınç dayanımı 650 MPa`ya ulaşmıştır. Bu malzemeler, ilk kez 1990`lı yılların başlarında Paris`te Bouygues`in laboratuvarlarındaki araştırmacılar tarafından geliştirildi. RPB`ler küp basınç dayanımları 200 ve 800 MPa arasında, çekme dayanımları 25 ve 150 MPa arasında ve kırılma enerjileri yaklaşık 30000 J/m2 ve birim ağırlıkları 2500-3000 kg/m3 aralığında değişen yeni kuşak betonlardır.
RPB’nin iç yapısı daha sıkı tane düzenine sahip olup, mikroyapısı YDB’ye göre en kuvvetli çimentolu hidrate ürünler ile güçlendirilmektedir. RPB’nin yüksek performansı genel olarak mikroyapı mühendisliği yaklaşımı ile sağlanmaktadır.
Reaktif pudra betonu liflerle güçlendirilmiş, çok düşük su/çimento oranında çimento ve silis dumanı karışımının süper akışkanlaştırıcı kullanılarak ince öğütülmüş kuvars tozuyla karıştırılması sonucu elde edilen yüksek dayanımlı kompozit bir malzeme olarak bir cümle ile tanımlanabilir. Karışımda çok ince agrega kullanılması sayesinde yapıdaki mikro boşluklar azaltılarak eğilme ve basınç dayanımında artış sağlanabilmiştir. Normal betonlarda kullanılan rijit agrega tanelerinin birbirine teması sonucu matris boyunca oluşan arayüzdeki boşluklar tane çapının azaltılması ile ortadan kaldırılmaktadır. Karışımda gerçekleştirilen bu düzenleme ile betonun porozitesi azaltılmakta donma-çözülme gibi çevresel etkilerine karşı direnci ise artmaktadır. Normal çimento içerikli kompozitler ile karşılaştırıldığında RPB’nin en belirgin özelliği homojen yapısı,
düşük boşluk oranı ve güçlendirilmiş çimento matrisidir.
Karışımda ince taneli agreganın ultra ince
bir malzeme olan silis dumanı ile birlikte kullanılması agrega taneleri ile çimento hamuru arasındaki temas yüzeyini artırarak mekanik özelliklerin iyileşmesine olanak vermektedir. Boşlukların azaltılarak sıkılığın artırılmasının bir diğer avantajıda karışım suyunun azaltılmasına olanak vermesidir. Mekanik dayanım olarak RPB yüksek dayanımlı betonlara (YDB) göre 2-4 kat daha fazla dayanım verebilmektedir. RPB üstün mekanik ve fiziksel özelliklere, mükemmel sünekliğe ve aşırı derecede düşük geçirimliliğe sahip ultra yüksek dayanımlı çimento esaslı kompozit malzemedir. Büyük agrega tanelerinin beton karışımından çıkarılması, karışımdaki su-çimento oranının azaltılması, CaOSiO2 oranının silis içerikli malzemelerin kullanılması ile azaltılması ve karışıma çelik lif karıştırılması RPB’yi yüksek performanslı bir malzeme olarak karşımıza çıkarmaktadır. Çelik lif donatının güçlendirme etkisi özellikle RPB’nin eğilme dayanımı üzerinde olmaktadır. Kompozit içindeki çelik lif dağılımı ne kadar homojen olursa eğilmeye karşı olan dayanımda o oranda artmaktadır [6].
2. REAKTİF PUDRA BETONUNDA KULLANILAN
MALZEMELER VE ÜRETİM TEKNİKLERİ
Reaktif Pudra Betonu genel kavram olarak mikroyapı mühendisliği yaklaşımıyla geliştirilmiş bir malzemedir. Normal çimento içerikli kompozitler ile karşılaştırıldığında RPB’deki farklılıklar homojen tane dağılımı, porozite ve mikro yapıda bulunmaktadır. Yüksek ve çok yüksek dayanımlı betonlar (60-120 MPa) inşaat sektöründe uzun süredir kullanılmaktadır.
Bu yüksek mekanik özelliklere, betonda su-çimento oranının azaltılması ve karışımda silis dumanı ile süperakışkanlaştırıcı katkıların kullanılmasıyla ulaşılmaktadır. Böylece çimento hamurunun porozitesini azaltmak, beton dayanıklılığını ise artırmak mümkün olmaktadır. Günümüzde RPB ile 200-800 MPa değerinde basınç dayanımı elde edilmiştir. RPB aşağıdaki dört ana prensibin uygulanması sayesinde elde edilir. Bunlar;
• Bütün iri agregaların karışımdan çıkarılması ile malzeme homojenliğinin artırılması,
• Tane çapı düzenlemesi ve iyi bir sıkıştırma ile boşluksuz bir beton elde edilmesi,
• Sıcaklık kürü ile mikro yapının geliştirilmesi,
• Karışıma çelik lif ilavesiyle malzeme sünekliğinin artırılması.
RPB’nin düşük porozitesi boyutları 1-500 μm arasında
değişen tane boyutuna sahip agregası ile sağlanmaktadır. Genelde agrega olarak kırılmış kuvars kumu kullanılmaktadır. RPB’lerde kullanılan agregaların boyutları çimentonunkine yakındır. Bu, hidrate olmamış çimento tanelerinin de tane iskeletine uygun olması ve malzemenin dayanımına katkıda bulunması demektir. RPB’de su-çimento oranı
çok düşük olup 0.15 seviyesindedir. İşlenebilme
fazla miktarda kullanılan yeni kuşak bir süper akışkanlaştırıcı ile sağlanmaktadır. İstenilen dayanımlara erişmek için, hem bileşen malzemelerin özelikleri hem de bunları mikserde karıştırma sırasının ve süresinin önemli olduğunu akılda tutmak gerekir. Bağlayıcı madde olarak ise ASTM Tip II yada V cinsi çimento ve silis dumanı kullanılmaktadır. Burada silis dumanı kullanılması ile mikro boşlukların azaltılması hedeflenmektedir. RPB’de kullanılan çelik lifler sayesinde eğilme altında malzeme çelik donatılı bir kiriş gibi davranabilmektedir. RPB’nin sünekliğini artırmak için karışıma 0.15-0.3 mm çapında ve 13 mm uzunluğunda çelik lifler katılmaktadır. Kullanılan çelik liflerin çekme dayanımı 2600 MPa civarındadır. Lif miktarı toplam hacmin %2’si civarındadır. Bu lifler sayesinde malzemenin eğilme dayanımı ve tokluğunda büyük artışlar söz konusu olmaktadır. RPB karışımının hazırlanmasında uygulanan karıştırma ve vibrasyon işlemleri normal beton üretiminde kullanılan teknikle aynıdır. Ancak karışıma suyun karıştırılmasında dikkatli davranılmalıdır. Agregalar ve bağlayıcı maddeler önce 3 dakika kadar kuru bir şekilde karıştırıldıktan sonra su ve süper akışkanlaştırıcıdan süspansiyonun yarısı beton karışımına eklenmelidir. Bu şekilde 5 dakika karıştırıldıktan sonra geriye kalan süspansiyonda karışıma karıştırılmalı ve 5 dakika daha karıştırma yapılmalıdır. Böylece malzeme topaklanmadan kalıba dökülmeye hazır bir duruma getirilebilir. RPB kalıba yerleştirildikten hemen sonra bir dizi kür işleminin uygulanması gerekmektedir. Kompozitin sıkılığı taze betona priz sırasında etkiyen basınç kuvveti ile artırılmaktadır. Uygulanan yükle betonun karıştırılması sırasında bünyesine aldığı hava kabarcıkları ve hidratasyon için gerekli su miktarından fazla olan su dışarı atıldığından hem karışımın s-ç oranı hem de porozite azalmaktadır. Sıkıştırma işlemi ile betonun birim ağırlığı da %5 oranında artmaktadır.
Çimento esaslı malzemelerin mekanik özeliklerinin geliştirilmesinde sıcaklık kürü uygulanması bilinen en klasik yöntemdir. Sıcaklığın en büyük etkisi hidratasyon ürünü malzemelerin daha iyi kristalleşmesi ve silis içerikli filler malzemelerin puzolanik reaksiyonunun başlaması şeklindedir. Bunun tam olarak nasıl gerçekleştiği henüz tam olarak açıklanamamış olsa da çoğunlukla sıcaklık uygulaması yararlı olmaktadır. Hidrotermal koşullarda kirecin silisle reaksiyona girmesi sonucu 200°C’nin altındaki sıcaklıklarda tobermorit, daha üstü sıcaklıklarda da karışımdaki CaO/SiO2 oranına bağlı olarak truskotit, gyrolit, zonotlit ve hillerbrandit oluşmaktadır. RPB’ye 90°C’de uygulanan düşük buhar basıncı kürü ile priz sonrası silis dumanının puzolanik etkisi hızlanarak güçlü hidrat yapının oluşmasına yardımcı olur. Priz sonrası sıcaklık kürü uygulanan RPB’lerde uygulanmayanlara oranla %60-70 daha fazla dayanım elde edilmektedir. Günümüzde prefabrike olarak 200 MPa dayanıma sahip beton elemanlar kolaylıkla üretilebilmektedir. Ancak laboratuvar koşullarında uygulanan 400°C sıcaklık ve 50 MPa’lık basınç kürü ile RPB den 500 Mpa basınç dayanım elde edilmiştir.
4. REAKTİF PUDRA BETONUNUN MEKANİK
ÖZELLİKLERİMekanik özelikler açısından RPB’de oluşan C-S-H jel yapısının kuvvetlenmesiyle kompozitin yoğun matris yapısı basınç dayanımı en üst değere taşımaktadır. Bu yüksek dayanım RPB’nin yapılarda çelik donatı olmaksızın kullanılmasını sağlamıştır. Kırılma enerjisi açısından bakıldığında ise RPB’nin normal harç numunelere oranla 240 kat daha fazla bir enerjiyi karşıladığı görülmüştür. Buda özellikle deprem etkileri altında enerji yutma kapasitesi düşük olan gevrek beton malzemenin tokluğunun artması demektir.
öylece RPB kullanılan yapılarda sünekliği artan yapısal elemanlar depreme karşı daha dayanıklı bir davranış gösterebilmektedir
Görüldüğü gibi çelik tellerin eklenmesiyle eğilme dayanımlarında 50-140 MPa arasında değişen değerler elde edilmektedir. Bu betonların kırılma enerjileri ise 10000- 40000 J/m2’ye kadar değişmektedir. Eğilme dayanımlarında ve kırılma enerjilerindeki değişme eklenen çelik tellerin yüzdeleriyle orantılıdır. Dayanıklılık açısından bakıldığında ise RPB’nin boşluksuz sıkı yapısı kimyasal ve çevresel etkilere karşı çok iyi bir performans göstermesine neden olmaktadır . YDB’lerle karşılaştırıldığında RPB’nin dayanıklılığı her koşulda üstün olmaktadır.