29-46

www.tubiad.org
ISSN: 2148-3736
El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi
Cilt: 1, No: 1, 2014 (29-46)
El-Cezerî Journal of Science and
Engineering
ECJSE
Vol: 1, No: 1, 2014 (29-46)
Derleme / Review
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
İlker Bekir TOPÇUa, Tayfun UYGUNOĞLUb*, Yunus Ahmet MUMYAKMAZb
a
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, İnşaat Müh. Bölümü, 26480,
Eskişehir/TÜRKİYE
b
Afyon Kocatepe Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Müh. Bölümü, 03200, Afyonkarahisar/TÜRKİYE
Özet: Reaktif pudra betonları (RPB) 1990’lı yıllarda geliştirilerek, 2000’li yıllarda yaygın olarak kullanıma
girmiştir. RPB’de granülometri seçimi en düşük boşluk oranı oluşturulacak şekilde ayarlanmalıdır. Üretilecek
betonda homojen bir yapı oluşturulması en önemli amaçtır. RPB, yapıya etkiyen iç ve dış kuvvetler sonucunda
oluşan yükleri minimum kesitli elemanlar ile karşılamak için oldukça ideal bir malzemedir. Betonun içerisinde
kullanılan çelik lifler elemanın sünekliliğini artırarak eğilme dayanımını en yüksek seviyelere çıkarmaktadır.
RPB tünel, savunma amaçlı yapılar ve ağır atık depolama tesislerinde de rahatlıkla kullanabilir. Bu çalışmada,
RPB’nin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile kullanım alanları üzerine yapılan inceleme sonuçları paylaşılmıştır.
Anahtar kelimeler: Reaktif pudra betonu; teknik özelikler; uygulama alanları.
An Investigation on Technical Properties of Reactive Powder Concrete
Abstract: Reactive powder concrete (RPB) have been developed in the 1990s, it has entered into commonly use
in the 2000s. Grading should be chosen to be formed in minimum porosity rate in the RPB. That would be
obtained in concrete forming a homogeneous structure is the most important goal. RPB, impact structure as a
result of internal and external forces that occur with loads to satisfy the minimum cross section of member is an
ideal material. The steel fibers used in concrete are to remove the maximum levels of the flexural strength by
increasing ductility of the element. RPB can be easily used in tunnel, defensive structures and heavy waste
storage facilities. In this study, results of the investigation on physical, chemical properties and usage areas of
RPB have been shared.
Keywords: Reactive powder concrete; technical properties; application areas.
1. Giriş
Yirminci yüzyılda beton teknolojisindeki devrim olarak nitelendirilebilecek gelişme, 150 MPa
üzerinde basınç dayanımına sahip, ultra performanslı liflerle güçlendirilmiş çimentolu sünek
kompozitler olarak adlandırılan reaktif pudra betonlarının (RPB) üretilmesi olmuştur. RPB betonu,
içeriğinde normal betondan farklı olarak süper akışkanlaştırıcı katkı, çelik lifler ve silisyum oksit
Bu makaleye atıf yapmak için
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz,Y.A., “Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme” El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi
2014, 1(1); 29-46.
How to cite this article
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A .,“An Investigation on Technical Properties of Reactive Powder Concrete” El-Cezerî Journal of Science and
Engineering, 2014, 1(1); 29-46.
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
içeren, en büyük tane çapı da sınırlandırılarak gerekli ölçüde basınç uygulanmış yüksek dayanım ve
dayanıklılığa sahip bir malzemedir [1]. RPB’lerde su-çimento oranı azaltılarak 200 MPa üzerinde
bir dayanım elde edilebilmektedir. Söz konusu sistemlerde, yüksek oranlarda SiO2 kullanılarak,
CaO/SiO2 oranında azalma gözlenmekte olup, agrega tane çapı düşürülmekle beraber mikro
düzeyde homojen bir yapı elde edilerek basınç dayanımları normal betona göre çok daha yüksek
değerlere ulaşmaktadır [2]. Yüksek dayanımlı betonlarda ana problem gevreklik olduğundan,
karışım içerisinde belirli narinlik oranına sahip çelik lifler kullanılarak daha sünek hale
getirilmektedirler. Şekil 1’den de görüleceği üzere ihtiyaçlar doğrultusunda zamanla betondan
istenen dayanım ve dayanıklılık değerleri hızla artmıştır. Özellikle son 10 yılda beton teknolojisinde
şaşırtıcı gelişmeler olmuştur. Bunlar arasında en büyük olanı 1990'lı yıllarda kısa kesilmiş çelik
lifler içeren ve yüksek performanslı sünek beton olarak bilinen RPB’lerin üretimidir. RPB’ler,
basınç dayanımları 20-60 MPa olan geleneksel betonlar sonrasında 60-115 MPa olan yüksek
dayanımlı betonlar ve sonrasında 200 MPa aşan değerleri ile beton sınıflandırmasında yeni bir yeri
oluşturmaktadır [3]. Ayrıca, yüksek dayanımın yanında dayanıklılık açısından da RPB normal
betona göre daha düşük boşluk oranları, porozite ve geçirimlilik değerlerine sahiptirler.
Şekil 1. Betonun tarihsel gelişimi [4].
RPB üretiminin temel hedeflerinin başında normal betonun düşük olan çekme dayanımının
arttırılması yer almaktadır. Yüksek basınç ve çekme dayanımı sayesinde çok daha ince kesitlerde
üretilebilmeleri sayesinde yapının zati yükü de önemli derecede azaltılabilmektedir. Bunun yanında
prefabrike elemanların üretiminde de kullanılması amaçlanmaktadır [5]. Tüm bu özeliklerin
sağlanabilmesi amacıyla RPB elde etmenin bazı temel gereksinimleri de bulunmaktadır. Bunlar
aşağıda başlıklar halinde verilmiştir [6-7].
 Birim hacimdeki iri agrega oranına belirli bir düzeyde yer verilmelidir.
 Yüksek dayanım elde edilebilmesi için, iyi derecede sıkıştırma (ön-basınç) yapılmalıdır.
 Gerekli olduğu sürece basınçlı buhar kürü (ısıl işlem) takviyesi ile mikro yapı güçlendirilmelidir.
 Gevreklik problemini çözmek için, belirli narinlik oranlarına sahip çelik lifler kullanılmalıdır.
30
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
Yukarıda verilen önerilere ilave olarak RPB üretimindeki bileşenlerin tipi ve bu bileşenlerle
giderilecek önemli hataların açıklaması da Tablo 1’de verilmiştir. Burada göze çarpan en önemli
husus, karışımdaki agrega en büyük tane boyutunun belirli bir değerden fazla olmaması ve aynı
zamanda agrega hacminin de matris hacmine göre daha düşük değerler alacak olmasıdır.
Tablo 1. RPB tasarımı için öneriler
RPB özeliği
Agrega
boyutunda
azalma
Mekanik
özeliklerin
arttırılması
Agrega hacim
oranının
azaltılması
Tanımlama
İri agrega ince agregayla yer
değiştirilir, iri agreganın en
büyük tane boyutu azaltılır.
Silis dumanıyla mekanik
özeliklerin arttırılması,
kimyasal katkı kullanılması
Kum miktarının
sınırlandırılması
Önerilen miktar
En büyük ince agrega
boyutu: 600 µm
Young modülü değerleri
50-75 GPa aralığında
olmalı
Bağlayıcı pasta toplam
hacmin % 80 oranlarına
kadar olmalıdır.
Önlenen hatalar
Mekanik, kimyasal
veya termomekanik
Mekanik etki
altındaki bölgede
gerilme dağılımları
Harici dış
kaynaklar (örneğin
kalıp gibi)
Şekil 2. RPB için bileşenlerin yaklaşık oranları (ağırlıkça)
RPB bileşenleri olarak en iri boyuttaki malzeme silis kumudur. En iyi doluluk oranını elde etmek
amacıyla karışımlarda filler olarak nitelendirilebilecek silis tozu veya silis unu kullanılmaktadır.
Daha küçük boyuttaki boşlukların doldurulması amacıyla da silis dumanı (SD) başarıyla
kullanılmaktadır. Normal betona göre yaklaşık 3 kat daha fazla çimento kullanılmaktadır.
2. RPB Özeliklerine Bileşenlerin Etkisi
2.1 RPB’ye çimentonun etkisi
RPB üretiminde genellikle 800-1000 kg/m3 çimento kullanılmaktadır. RPB’nin yüksek oranda
bağlayıcı içermesi, su/bağlayıcı oranının genellikle 0.14-0.25 aralığı gibi düşük değerlerde olması,
yüksek oranda SD içermesi nedeniyle bünyesel büzülme mertebeleri, kuruma büzülmesi kadar risk
oluşturabilmektedir [8]. Aynı zamanda maliyetleri arttırdığı, çimento üretiminin doğaya verdiği
31
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
zararlar göz önüne alındığında çevreci olmadığı da düşünülebilir. Ancak hem çimentonun
hidratasyon ısısının azaltılması hem de ekonomik nedenlerden dolayı çimentonun bir bölümü yerine
mineral katkı kullanılması ile çevreci bir yapı malzemesi haline gelmesini sağlamaktadır. Bu açıdan
atık malzemelerin bu kompozit içerisinde değerlendirilmesi geleneksel betondan daha çok gerek
duyulan ve daha yüksek potansiyele sahip olan bir seçenektir. Normal betonda olduğu gibi RPB’de
de hamur fazının azaltılması ile oluşacak büzülme etkisi azaltılabilir. Sabit su/bağlayıcı oranında
üretilen RPB içerisindeki agrega hacminin arttırılmasıyla (Şekil 3) ,diğer bir ifadeyle bağlayıcı
miktarının azalmasıyla ilk 28 günlük büzülme değeri fark edilir derecede azalmıştır [8]. Diğer
yandan, çimento kompozisyonunda öncelikle C3A içeriği ve inceliği başlıca kontrol etkenleridir.
Karma oksit bileşimi çimento inceliği ve azaltılmış hidratasyon ısısı çimentonun erken ve son
dayanımını yönlendiren karakteristiklerdir. İnceliğin yüksek olması su gereksinimini değiştirecektir.
Daha ince çimento kullanmak su/bağlayıcı oranını arttıracağından iyi sonuçlar vermeyebilir. C3A
içeriği düşük olan çimentolar dayanım değerlerinde daha iyi sonuçlar vermektedir [9].
Şekil 3. RPB'nin agrega hacmine bağlı olarak büzülme davranışı [8].
Ayrıca, yüksek miktardaki bağlayıcı kullanımından dolayı çimentonun hidratasyonu esnasında
önemli ölçüde dışarıya Ca(OH)2 çıkmaktadır. Mineral katkılar ile bu yapılar kalsiyum silikat hidrata
dönüştürülüp dayanım arttırılmasına katkı sağlanabilir.
2.2. Karışım suyu etkisi
RPB’de suyun en önemli etkisi işlenebilirlik ve betonda oluşan kılcal boşluklar olarak açıklanabilir.
Su/çimento oranı düşürülerek işlenilirliğin azalmamasını sağlamak ana amaçtır. RPB gibi
çimentonun yanı sıra bağlayıcı olarak mineral veya puzolanik katkıların kullanıldığı çimentolu
malzemlerde su/çimento oranı yerine genellikle su/bağlayıcı (s/b) oranını vermek daha uygun
olmaktadır. Şekil 4’te bağıl yoğunluğun s/b ile değişimi görülmektedir. Şekil 4’te ifade edilen do,
prizini almamış betonun yoğunluğunu ve ds değeri ise betonu oluşturan matristeki su ve hava
dışındaki katı malzemelerin yoğunluğu olarak ifade edilebilmektedir [9]. A noktası en düşük s/b
oranı olup, RPB karışımlarında en düşük s/b oranı % 8 olarak belirlenmiştir. Karışıma ilave edilen
suyun arttırılması ile sıkışmış hava boşlukları azalmakta (yoğunluk artmakta), s/b oranı ve karışım
hacmi artmaktadır. Kütle artarken bununla birlikte hacim sabit kalmaktadır. Böylelikle do artması
ile do/ds oranı da artmaktadır. B noktasına ulaşıldığında karışımda sıkışmış ve sürüklenmiş hava
boşluğu kalmamıştır.
32
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 4. RPB’de s/b grafiği [4].
Su miktarı arttırıldıkça, s/b oranının artmasıyla, karışım hacmi artmakta ancak bağıl yoğunluk
azalmakta ve C noktasına ulaşılmaktadır. Bu noktadan itibaren ortamda bulunan fazla su nedeniyle
istenilen sıkışma değeri elde edilememekte ve bunun sonucunda gözenekliliğin artması nedeniyle
tekrar yoğunluk değeri azalmaya başlamaktadır.
3.3 RPB için agrega seçimi
Karışımda en yüksek düzeyde yoğunluk ve homojenlik elde edebilmek için farklı çaplarda agregalar
kullanılmalıdır. RPB’de en büyük tane çapı 600  olarak önerilmiş olmakla birlikte Cwirzen ve
Penttala [10]. agrega tane boyutunun RPB'nin mekanik özeliklerine etkisi üzerine yaptıkları çalışma
sonucunda agrega tane çapının 10 mm'ye kadar arttırılmasıyla mekanik özeliklerde önemli bir
değişme olmadığı; geleneksel RPB'ye göre daha kısa karıştırma süresi gerektirdiği, filler
malzemenin agregalar arasında daha iyi dağıldığı ve daha az hava boşluğu kaldığını belirtmişlerdir.
RPB'nin su/çimento oranı diğer betonlara çok düşük değerlerde olup, işlenebilirlik katkı maddeleri
ile sağlanmaktadır. Hava ve sudan oluşan boşluklar minimum düzeylerde tutulup bu boşluklar filler
malzeme ile doldurulmaktadır. Ayrıca, sistemde seçilen agregaların sert, temiz ve sağlam olarak
seçilmesi de çok önemlidir.
Yüksek dayanımlı agregalarla ile yapılan betonlar yüksek performans vermektedirler. Şekil 5'te
farklı kökenlere sahip agregalarla üretilmiş olan RPB'lerin basınç dayanımları görülmektedir.
Korund, bazalt, kireçtaşı, kuvarts, granit ve boksit agregalarıyla üretilen RPB'ler ayrıca değişik
koşullarda kürlenmişlerdir. Tüm kür tipleri içerisinde en yüksek basınç dayanımı boksit agregasıyla
üretilen RPB'lerde elde edilmiştir. Genel olarak incelendiğinde en düşük dayanım değerleri de
kireçtaşı ve granit agregalı RPB'lerde görülmüştür.
33
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 5. Agrega tipinin RPB dayanımına etkisi [11].
Agrega olarak, yüzeyi pürüzlü ve sert malzemelerin kullanılmasıyla daha yüksek dayanımlı RPB'ler
üretilebilmektedir. Ucuz olması ve kolay temin edilebilmesi açısından birçok RPB üretiminde
kuvarts da kullanılabilmektedir.
3.4 RPB'de Mineral Katkı Etkisi
RPB'de mineral katkı kullanımının en büyük amacı ince taneli agregalar arasındaki mikro
boşlukların doldurulmasıdır. Dolayısıyla mineral katkıların RPB'deki boşlukları doldurma işlevleri,
betondaki puzolanik aktiviteden daha önemlidir [12]. Mineral katkılarda erken yaşta dayanım
kazanma hızı yavaştır. Fakat ilerleyen yaşlarda oldukça etkilidir. RPB üretiminde mikro boşlukların
doldurulmasında, çok ince tane boyutuna sahip olan SD en çok tercih edilen mineral katkıdır. SD
hızlı reaksiyona girer ve fakat karışımın su gereksinimini arttırır. Ancak kimyasal katkı kullanımı
ile bu problem çözümlenebilmektedir. SD ayrıca puzolanik özeliği sayesinde ortamda bulunan
CH’ları da bağlayarak yeni CSH jellerinin oluşumunu sağlamaktadır. Böylece çimento hamuru ve
agrega arasındaki zayıf olan bölge SD vasıtasıyla güçlenmektedir [13].
Şekil 6. SD’nin çimento taneleri arasını dolduran şematik gösterimi [4].
34
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 6'da SD’nin boşlukları doldurma kapasitesi şematik olarak gösterilmiştir. SD uygun
akışkanlaştırıcılarla kullanıldığında işlenebilirliği ve dayanım artışı da sağlamaktadır.
Dezavantajları ise pahalı olması ve piyasada zor bulunması olarak sayılabilir.
Diğer bir mineral katkı olan uçucu küllerin (UK) tek başlarına bağlayıcı özeliği yoktur. Ancak,
uygun ortam, sıcaklık ve nemde betondaki hidratasyon ürünlerinden kalsiyum hidroksitle (CH)
reaksiyona girerek yeni kalsiyum-silikat-hidrat (CSH) jeli oluşumunu sağlarlar. UK’lar betonda, su
gereksinimini ve hacim değişimini etkilemektedirler. Yüksek fırın cürufu (YFC) ise, bir miktar
bağlayıcı madde ile reaksiyona girerse, önemli ölçüde bağlama özelliği kazanmaktadır. RPB'de
süper akışkanlaştırıcı kullanımı da betonun işlenebilirliğini arttırır. Mikro düzeydeki yapıyı
güçlendirir ve mineral katkı kullanımından kaynaklanan olumsuz etkileri önlemektedir.
Şekil 7. Farklı betonlardaki boşluk çapı dağılımları
RPB’ler hem üretim teknikleri hem de içerdikleri farklı çaplardaki malzemeler sayesinde en düşük
seviyede boşluk içermektedirler. Ayrıca içerdikleri boşlukların büyük çoğunluğu da jel boşlukları
seviyesindedir. Kapiler boşlukların alt seviyesinde boşluk çaplarını içeren yüksek performanslı
betonlar (HPC) ile yine kapiler boşluklar içeren normal betonlara göre ultra yüksek performanslı
betonlar (UHPC) olan RPB’ler daha küçük ve daha az oranda boşluklara sahiptirler (Şekil 7).
3.5. RPB’de lif etkisi
Ancak bu betonlarda, dayanım arttıkça ortaya çıkan önemli bir problem gevrekliktir. Normal
betonun çekme dayanımı, çatlak direnci, aşınma ve darbe dayanımı, tokluk gibi mekanik
özeliklerini geliştirmek için içerisine çelik, cam ve polipropilen lifler katılmaktadır [14]. RPB’de
mikro ve makro boyutta olmak üzere iki farklı boyutta lifler kullanılabilmektedir. Mikro lifler,
betonda oluşabilecek özellikle büzülme çatlaklarını önler ve matris tabakasını güçlendirir. Makro
çelik lifler ise çekme ve eğilme dayanımlarını arttırmaktadır. Şekil 8’de [4]. RPB’de kullanılan
çelik liflerin etkileri görülmektedir. Ayrıca, mikro lifler makro liflere göre beton içerisinde daha
homojen dağıldıklarından basınç dayanımının arttırılmasına da katkıda bulunmaktadırlar. Makro
liflerde ise topaklanma riskinden dolayı gerilmelerden çok betonun daha fazla deformasyon
yapabilme özeliğini arttırmaktadırlar.
35
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 8. RPB'de mikro ve makro lif kullanım [4].
(a)
(b)
Şekil 9. RPB'de kullanılan çelik lifler (a) ve çatlak deformasyonu (b)
RPB üretiminde en sık kullanılan lifler 13-16 mm uzunluğunda 0.15-0.2 mm çapında çelik liflerdir
(Şekil 9a). Bu çelik liflerin belirli hacim fraksiyonlarında RPB 200 betonunda kullanılması
durumunda betonun deformasyon oranı incelendiğinde (Şekil 9b), en ekonomik ve etkin kullanım
oranının % 2 üzerinde olduğu belirtilmiştir [1].
4.1. RPB üretimi ve kür işlemi
RPB özelikleri üzerinde, üretiminde kullanılan bileşen malzemeler ve oranları yanında üretimden
sonraki aşamalar da büyük rol oynamaktadır. Beton karışımının kalıba yerleştirilmesi ve sıkıştırma
yöntemi beton özeliklerini etkileyen en önemli aşamalardan birisidir. Betonun iyi bir şekilde
yerleştirilmesi için en çok kullanılan yöntem şişleme ve vibrasyondur. Bu yöntemler normal ve
yüksek performanslı betonlar için yeterli olabilmektedir. Ancak, yapılan çalışmalar sonucunda bu
yöntemlerin RPB için yetersiz kaldığı vurgulanmaktadır [15]. RPB’de kullanılan kimyasal katkı
dozajının fazla olması, işlenebilirliğe olumlu etkisinin yanı sıra, beton içerisine hava kabarcıkları
36
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
sürüklemesi gibi olumsuz etkilere de neden olmaktadır. RPB’ye vibrasyon uygulanması sırasında
katkının sürüklediği hava miktarında artış olduğu, betonun hava kabarcıkları sayesinde şişerek daha
fazla hacim kapladığı görülmüştür. Bu nedenle RPB’de taze halde kalıba yerleştirilmesinden sonra
bir basınç yükü ile ön sıkıştırma uygulanmaktadır. Şekil 10’da vibrasyon uygulanmış RPB ile ön
sıkıştırma uygulanmış RPB’nin eğilmede yük-sehim eğrisi karşılaştırılmıştır. Eğilme davranışındaki
daha yüksek yük altında dayanım kaybı ile daha fazla deformasyon yeteneği sayesinde sıkıştırma
işleminin önemi açıkça görülmektedir.
Şekil 10. RPB'de ön sıkıştırma işleminin etkisi [15].
Ön sıkıştırma işlemi sonrasında kalıptan alınan RPB’lere kür işlemi olarak buhar kürü ile ısıl işlem
uygulanması sonucunda daha yüksek dayanımlı hale getirilebilmektedirler. RPB’lere buhar kürü
uygulanmasıyla, elastisite ve kayma modüllerinde önemli değişmeler olmadan basınç ve çekme
dayanımları standart kür edilenlere göre yaklaşık % 20 oranında arttırılabilmektedir (Tablo 2).
Tablo 2. Isıl işlem uygulanmış RPB’lerin özelikleri
Suda kür (25 oC)
Özelik
3 gün
28 gün
Basınç dayanımı (MPa)
84
106
Yarmada çekme dayanımı (MPa)
11.9
13.4
Eğilme dayanımı (MPa)
15.5
22
Dinamik E-modülü (MPa)
44.1
46
Dinamik Kayma modülü(MPa)
17.4
19.1
Poisson oranı (MPa)
0.27
0.2
Buhar kürü (85 oC, %95 nem)
3 gün
28 gün
101
124
13.5
15.8
19.5
22
41
45.7
16.2
18.8
0.27
0.21
Buhar kürü, basınçlı (otoklavda) ve atmosfer basıncı altında iki farklı yöntemle de
uygulanabilmektedir. Otoklavda uygulanan kür işlemi sonrasında RPB'ler daha yüksek dayanım ve
dayanıklılığa sahip olmaktadırlar.
37
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 11. Farklı kür işlemi uygulanmış RPB’lerin mikroyapı görünümleri
(a: standart kür; b: buhar kürü; c: otoklav kürü) [13].
Otoklavda basınçlı buhar kürü uygulanmış RPB’lerin mikro yapısı incelendiğinde diğer standart kür
ve atmosferik basınçlı buhar kürlü RPB’lere göre çok daha yoğun bir yapıya sahip oldukları açıkça
görülebilir (Şekil 11). Otoklav küründe dayanım kazanma süresi diğer yöntemlere göre daha kısa
olup, SD’nin varlığı ile yeni CSH jelleri oluşarak daha yüksek dayanımlı RPB elde edilir.
2.2 Reaktif Pudra Betonunun Mekanik ve Fiziksel Özelikleri
Günümüzden 30 yıl öncesine kadar betonarme yapılarda kullanılan betonun basınç dayanımı en
fazla 40 MPa mertebesindeydi. Beton teknolojisindeki gelişmeler sonucunda ortaya çıkan RPB’ler
ile küp basınç dayanımları 200-800 MPa arasında, çekme dayanımları 25-150 MPa arasında ve
kırılma enerjileri ise yaklaşık 30000 J/m2 ve birim ağırlıkları 2500-3000 kg/m3 civarında betonlar
üretilebilmektedir [4-9]. RPB 200 olarak tasarlanmış betonun fiziksel ve mekanik özelikleri normal
ve yüksek dayanımlı betonla karşılaştırılmalı olarak Tablo 3’te görülmektedir. RPB 200 olarak
tasarlanmış betonlar Dura ve Ductal ticari ismiyle anılan betonlardır.
RPB’lerin içerdiği yüksek orandaki çelik lifler ve oldukça dolu yapısı nedeniyle birim ağırlıkları
normal ve yüksek dayanımlı betonlara göre daha fazladır (Tablo 3) [5]. Bu durum dezavantaj gibi
görünse de, aslında RPB’lerin yüksek çekme ve basınç dayanımlarından dolayı istenilen gerilmeleri
çok daha ince kesitlerde tasarlanarak taşıyabilmektedirler. Dolayısıyla birim ağırlık açısından da
ince kesitleri sayesinde dezavantaj olmaktan çıkmaktadır.
Dikkat çeken bir diğer özelik de normal yüksek dayanımlı betonlarda görülen büzülmenin
RPB’lerde oluşmamasıdır. RPB’lerde kullanılan yüksek orandaki çelik lifler ile betondaki
büzülmeler önlenmekte, ayrıca normal betona göre yaklaşık 4-5 kat daha fazla tokluk
kazandırılmaktadır. RPB’lerin poisson oranları ise 0.2 değeri ile normal ve yüksek dayanımlı
betonlarla aynı orana sahiptir.
38
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
Tablo 3. RPB’nin karakteristik özelikler [5].
Karakteristik özelik
Birim ağırlık
Silindir basınç day., fcy
Küp basınç day., fcc
28 günlük sünme katsayısı
Büzülme
Elastisite modülü, Eo
Poison oranı
Yarmada çekme dayanımı,
fsp
Eğilmede ilk çatlak
dayanımı, fcr,(4 noktalı)
Kırılma modülü, fcf
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=0.46mm
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=3.0mm
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=10mm
Tokluk indisi
Kırılma modülü, fcf
(3 noktalı eğilmede)
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=0.46mm
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=3.0mm
Eğilmede kırılma enerjisi,
Gf=10mm
Hızlı klorür geçirgenliği
Klorür difüzyon katsayısı,
Dc
Karbonatlaşma derinliği
Aşınma direnci
Su emme oranı
Yüzey emilimi
Normal
beton
2300
20 – 50
20 – 50
2–5
Yüksek
perfor. beton
2400
50 – 100
50 – 100
1–2
DURA®
DUCTAL®
2350 – 2450
120 – 160
130 – 170
0.2 – 0.5
2440 – 2550
123 – 210
158 – 220
0.29 – 0.66
1000–2000
20 – 35
0.2
2–4
500 – 1000
35 – 40
0.2
4–6
< 100
40 – 50
0.18 – 0.2
10 – 18
0
50 – 53
0.2
18.3 – 26.5
2.5 – 4
4–8
8 – 9.3
9 – 9.7
MPa
N/mm
2.5 – 4
< 0.1
4–8
< 0.2
18 – 35
1 – 2.5
40 – 50
-
N/mm
< 0.1
< 0.2
10 – 20
-
N/mm
< 0.1
< 0.2
15 – 30
-
I5
I10
I20
MPa
1
1
1
2.5 – 4
1
1
1
4–8
5.3 – 6.2
11.8 – 14.4
25.9 – 32.8
18 – 35
4–6
10 – 15
20 – 35
40 – 50
N/mm
<0.1
<0.2
1 – 2.5
-
N/mm
<0.1
<0.2
10 – 20
-
N/mm
<0.1
<0.2
15 – 30
-
< 200
0.05–0.1x
10-6
< 0.1
< 0.03
< 0.2
< 0.02 (10
dak) < 0.01
(120 dak)
< 50
0.02 x 10-6
Birim
3
kg/m
MPa
MPa
GPa
MPa
MPa
Standard
BS1881:Part 114-1983
AS1012.9-1999
BS6319: Part 2-1983
AS1012.16-1996
ASTM C512
AS1012.16-1996
BS1881:Part 121-1983
BS:EN 12390-6-2000
ASTM C496
ASTM C1018-1997
JCI-S-002-2003
coulomb
mm2/s
ASTM C1202-2005
ASTM C1556-2004
2000–4000
4 – 8 x 10-6
500 – 1000
1–4 x 10-6
mm
mm
%
ml/(m2s)
BS:EN 14630-2003
ASTM C944-1999
BS1881:Part 122-1983
BS1881:Part 208-1996
5 – 15
0.8 – 1.0
>3
0.7 (10 dak)
0.2 (120
dak)
1–2
0.5 – 0.8
1.5 – 3.0
0.1 (10 dak)
0.05 (120
dak)
Şekil 12. Reaktif Pudra Betonunun Eğilme Davranışı [4].
39
< 0.5
< 0.03
-
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
Şekil 12, geleneksel beton ve RPB 200’ün (basınç dayanımı 200 MPa) basit kiriş halindeki mekanik
davranışını göstermektedir. Tablo 3’ten de görüleceği gibi normal betonun basınç dayanımı değeri
kadar RPB’nin çekme dayanımına sahip olduğu açıkça görülebilir. Ayrıca RPB’nin normal betona
göre çok daha fazla şekil değiştirme yeteneğine sahip olduğu görülmektedir. Bu deformasyon
yeteneği lifli betonlarla karşılaştırıldığında daha yüksek gerilmeler altında oluşmuştur. RPB’nin
eğilme dayanımı, ilk çatlamadaki gerilmenin 1.6 katı kadar yüksektir. En büyük gerilmedeki
deplasman ilk çatlaktaki deplasmandan yaklaşık 10 kat daha büyüktür [9].
Şekil 13. Lifli ve Lifsiz betonun davranışı [16].
(a)
(b)
Şekil 14. Dört noktalı eğilme deneyi sonrası kirişlerdeki çatlaklar (a: YDB; b: lifli-RPB)
RPB’lerde enerji yutma kapasitesinin fazla olması, statik ve dinamik yükler altındaki davranışı ile
açıklanabilir. Bu da daha fazla deplasman yapabilme yeteneği olarak açıklanabilir. Şekil 13’te bu
durum açıkça görülmektedir. Bu özelikleri sayesinde RPB’lerde, eğilme durumunda çekmenin
oluştuğu kiriş alt bölgelerinde daha az çatlamalar görülmektedir (Şekil 14).
3. RPB'nin dayanıklılığı
RPB’nin boşluksuz sıkı yapısı kimyasal ve çevresel etkilere karşı çok iyi bir performans
göstermesine neden olmaktadır. Yüksek dayanımlı betonlarla (YDB) karşılaştırıldığında RPB’nin
dayanıklılığı her koşulda üstün olmaktadır [17]. Tablo 3’te RPB’ler diğer betonlarla hızlı klorür
geçirimliliği, klorür difüzyon katsayısı, aşınma ve su emme gibi dayanıklılık özelikleri açısından da
karşılaştırılmıştır. RPB’lerin karışım tasarımları ve üretim teknikleri sayesinde çok düşük boşluk
içermeleri ile mükemmel doluluk oranına sahip olup, geçirimlilikleri oldukça düşüktür. Su emme
oranları yaklaşık % 0.5 civarındadır. Bilindiği gibi betonun geçirimliliği dayanıklılık açısından en
etkin faktörlerin başında gelmektedir. Dolayısıyla geçirimsiz yapıları sayesinde RPB’ler normal ve
YDB’lere göre oldukça durabil bir yapıya sahiptirler. Ayrıca ultrases geçiş hızı bu tip betonlarda 4.5
km/s üzerinde olup kalite açısından mükemmel beton sınıfındadırlar.
40
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
Tablo 4. H2SO4 etkisine maruz RPB’nin basınç dayanımı [18].
Agresif ortamlardan asit etkisine maruz bırakılan farklı tiplerdeki RPB’lerin basınç dayanımları
hem kendi aralarında hem de YDB ile karşılaştırmalı olarak Tablo 4’te verilmiştir. Tüm betonlar %
1, % 3 ve % 10 olmak üzere farklı konsatrasyonlarda 4 hafta boyunca H2SO4 etkisine maruz
bırakılmışlardır. Dayanım kayıpları incelendiğinde, en agresif ortam olan % 10 asit etkisinde, en
düşük dayanım kayıpları lif içeren RPB’lerde elde edilmiştir. En yüksek dayanım kaybı da
YDB’lerde görülmüştür. Ductal ticari isimli RPB ile lif içermeyen RPB’de daha yüksek dayanım
kayıpları olmuştur. RPB üretiminde kullanılan çelik lifler agresif ortamda da çimento matrisinin
dağılarak betonun dayanım kaybetmesini önledikleri görülmüştür.
4. RPB'nin yüksek sıcaklık altında davranışı
Yüksek dayanımlı betonların yüksek sıcaklık altındaki dayanımlarının normal betonlara göre daha
düşük olduğu literatürden bilinmektedir. Bunun nedeni de yüksek sıcaklık etkisiyle kapiler ve jel
boşluklarında bulunan serbest suyun buharlaşması ve böylece boşluk basıncı oluşturmasıdır. Bu
boşluk suyu ile 200-300 oC sıcaklık değerlerine kadar betonun basınç dayanımında fark edilir bir
artış görülür. Daha sonra buhar basıncından dolayı betonda çatlaklar oluşmaya başlar ve buhar
basıncı azaldığından betonda bir miktar büzülme gözlenir [19]. Yüksek dayanımlı betonlardaki
boşluk miktarının normal betona göre daha az olması yanı sıra daha geçirimsiz yapıya sahip
olmasından dolayı beton içerisindeki buhar normal betondaki kadar kolayca dışarı çıkamaz ve dehidrate olan iç yapıyla birlikte betonun parçalanarak daha düşük sıcaklıklarda deforme olmasına
41
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
neden olur. Lee vd. [20] betonda 300 ºC’ye kadar olan dayanım artışına dikkat çekmişler,
dayanımdaki artışın silis esaslı agrega ile üretilen betonlarda daha fazla olduğunu ve bunun nedeni
olarak çimento ile agrega arasındaki aderansın silisli agregalarda daha yüksek olduğunu ifade
etmişlerdir.
Şekil 15. Yüksek sıcaklığa bağlı RPB’nin basınç dayanımındaki değişim [21].
Şekil 16. RPB’de yüksek sıcaklığa bağlı kırılma enerjisi değişimi [21].
RPB’de de yüksek sıcaklık etkisi altında normal ve yüksek dayanımlı betonlara benzer davranış
gözlenmiştir. Sıcaklığın 400 oC’ye kadar artmasıyla dayanımında artış görülmüştür. Bu sıcaklık
değerinden sonra 600 oC’de tıpkı normal ve yüksek dayanımlı betonda olduğu gibi ani dayanım
kaybı görülmüştür (Şekil 15) [21]. Ancak RPB’de, 600 oC’deki dayanım kaybı normal ve yüksek
dayanımlı betonlara göre çok daha azdır. Diğer bir ifadeyle RPB’ler normal ve yüksek dayanımlı
betonlara göre yüksek sıcaklık etkisine karşı daha dayanıklıdırlar. Bununla birlikte RPB’nin
deformasyon davranışı yüksek dayanımlı betonlara benzer şekilde parçalanarak olmuştur. Düşük
42
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
su-çimento oranındaki parçalanma daha düşük nem içeriklerinde görülmüştür [21]. RPB’lerin
yüksek sıcaklık altındaki kırılma enerjisi 200 oC’den sonra azalmaya başlamıştır (Şekil 16). Yüksek
sıcaklığın 600 oC’ye ulaşmasıyla yaklaşık olarak % 47 oranında azalmıştır. Ancak bu durumda bile
normal betonlardaki kırılma enerjisinden daha yüksek değere sahip oldukları görülmüştür [21] .
5. RPB'nin Uygulama Alanları
Reaktif pudra betonu mükemmel iç yapısı ve yüksek dayanımlı olması ile Avrupa'da nükleer atık
depolama tesislerinde, önemli açıklıkları bulunan köprülerde, yollardaki rögar kapaklarında ve
yağmur ızgaralarında, betonarme yapılarda ileride güçlendirme alanında da kullanılabilmektir [22].
Şekil 17’de RPB ile yapılmış Tibet demiryolu ile Kanada’daki Pedestrian köprüsü gösterilmiştir.
Şekil 18’de ülkemizde RPB’den imal edilmiş rögar kapakları, yağmur suyu olukları gibi bazı
prefabrike elemanlar görülmektedir. İleriki yıllarda kullanım alanı daha da genişleyecektir.
(a)
(b)
Şekil 17. a) Qinghai-Tibet demiryolu; b) Pedestrian Köprüsü, Sherbrooke, Canada
Şekil 18. Reaktif pudra betonu ile üretilmiş prefabrike elemanlar [23].
Ayrıca, RPB ile üretilen malzemeler yapısal olarak çelikle yarışabilecek ileri mekanik özeliklere
sahiptirler. Ultra dayanımlı ve yüksek esneklikli kompozit bir malzeme olan RPB kullanılarak,
beton bariyerler ve diğer ön üretimli yapı elemanları üretiminde kullanılabilirliği araştırılmaktadır.
Üretim teknikleri gereği ön üretimli elemanlarda kullanımı daha ekonomik olacaktır.
43
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
Avantajları
Yüksek performanslı ve normal betonlara göre çok daha yüksek basınç ve çekme dayanımına sahip
olmaları ile yapılardaki aynı yükleri çok daha ince kesitlerle taşıyabilmektedirler. Enerji yutma
kapasiteleri oldukça yüksektir [22-25]. Bu özelikleri geniş açıklıkların geçilmesinde kullanılan
çeliklere de alternatif malzeme oluşturmaktadırlar. Böylece yapının ölü yükünü de azaltarak deprem
yüklerine karşı daha sünek ve dirençli hale gelmesini sağlamaktadırlar. Çok düşük ve birbirinden
bağımsız boşluk içerdiklerinden, çevresel etkilere karşı mükemmel derecede sayılabilecek kadar
dayanıklıdırlar. Ayrıca radyoaktif ışınların geçişlerine karşı da dirençli olmaları özelikleri ile
nükleer tesislerde çok daha ince kesitler halinde kullanılabilmektedirler.
Sınırlı yönleri
RPB’lerin en büyük dezavantajı, kullanılan malzemelerin maliyeti ve özel üretim tekniği
gerektirmesinden dolayı ekonomik değildir. İstenilen dayanımlara ulaşabilmek için basınçlı buhar
kürüne tabi tutulmaları gereksinimlerinden dolayı yerinde dökümleri oldukça güçtür. Ön üretimli
yapı elemanları olarak üretilmeleri gerekmektedir. Büyük elemanların üretiminde işletme maliyeti
artacaktır. Aslında, ön üretimli elemanlar olarak daha homojen ve kaliteli üretilebileceklerinden bu
durum bazı durumlarda avantaj olarak da değerlendirilebilir. Özel üretim gereksiniminden dolayı
kalifiyeli elemanlar gözetiminde üretilmesine ihtiyaç duyulmaktadır.
6. Sonuçlar
Reaktif pudra betonu, hem dayanım hem de dayanıklılık yönünden karşılaştırıldığında normal
dayanımlı ve yüksek dayanımlı betonlara göre çok daha üstündür. RPB yüksek dayanımlı betonlara
iyi bir alternatif olmakla birlikte inşaat sektöründe çelikle yarış edebilecek potansiyele sahip bir
malzemedir. RPB’nin üstün yanları oldukça fazladır. Aynı yükler altında normal ve yüksek
dayanımlı betonlara göre çok daha ince kesitlerde kullanılabilmesi, bu kesitlerle bile oldukça
yüksek çekme gerilmelerini karşılayabilmesi ve enerji yutma kapasitesine sahip olmaları özelikleri
ile beton teknolojisine bir yenilik getirmiştir. Günümüzde, küçük boyutlu prefabrike elemanlarda
RPB başarıyla seri üretim haline getirilmiştir. RPB’lerdeki ekonomik problemler aşıldığında
gelecekteki çoğu yapılar RPB ile üretilmesi mümkün hale gelecektir.
Kaynaklar
[1]
[2]
Voo, Y.L., Poon, W.K., Ultra High Performance ductile Concrete (UHPdC) For Bridge
Engineering, Proceedings of the International Conference and Exhibition on Bridge Engineering,
November 2009, Kuala Lumpur.
Graybeal, B., Material Property Characterization of Ultra-High Performance Concrete, US
Department of Transportation, Federal Highway Administration, 2006, Publication No: FHWAHRT-06-103.
44
Topçu, İB, Uygunoğlu, T, Mumyakmaz, Y.A.
ECJSE 2014 (1) 29-46
[3] Nematollahi, B., Saifulnaz, R., Jaafar, M.S., Voo, Y.L., A Review on Ultra High Performance
‘Ductile’ Concrete (UHPDC) Technology, International Journal of Civil and Structural
Engineering 2012, 2(3), 1003-1018.
[4] Karabulut, A., Reaktif Pudra Betonu Özelliklerinin Mineral Katkılarla Geliştirilmesi, Yüksek lisans
Tezi, 2006, pp 2-9, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir.
[5] Voo, Y.L., Foster, S.J., Characteristics of Ultra-High Performance Ductile Concrete and Its Impact
on Sustainable Construction, The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering, 2010, 3(3),
168-187.
[6] Talebinejad, I., Bassam, S.A., Iranmanesh, A., Shekarchizadeh, M., Optimizing Mix Proportions of
Normal-Weight Reactive Powder Concrete with Strengths of 200-350 MPa, International
Symposium on Ultra-High-Performance Concrete (UHPC), Kassel, Germany, Sept. 13-15, 2004,
pp. 133-141.
[7] Bonneau, O., Lachemi, M., Dallaire, E., Dugat, J., and Aitcin, P. C., Mechanical Properties and
Durability of Two Industrial Reactive Powder Concretes, ACI Materials Journal, 1997, 94(4), 286289
[8] Yalçınkaya, Ç., Yazıcı, H., Agrega Hacminin Reaktif Pudra Betonunun Mekanik ve Büzülme
Özelliklerine Etkileri, 2011, THBB Beton 2011 kongresi, ss. 150-159, İstanbul.
[9] Richard, P., Cheyrez M., Composition of Reactive Powder Concretes, Cement and Concrete
Research, 1995, Volume 25, pp 17.
[10] Cwirzen, A., Penttala, V., Effects of Increased Aggregate Size on The Mechanical and Rheological
Properties of RPC, 2nd International RILEM Symposium on Advances in Concrete through
Science and Engineering, Print-ISBN: 2-35158-003-6, 2006.
[11] Aydin, S., Yazici, H., Yardimci, M.Y., Yiğiter, H., Effect of Aggregate Type on Mechanical
Properties of Reactive Powder Concrete, ACI Materials Journal, 2010, 107(5), 441-449.
[12] Coppola, L., Cerulli, T., Troli, R., Collepardi, M., The Influence of Raw Materials on Performance
of Reactive Powder Concrete, International Conference on High-Performance Concrete, and
Performance and Quality Concrete Structures, Florianopolis, 1996, 502-513.
[13] Rougeau, P., and Borys, B., Ultra-High-Performance Concrete with Ultra-Fine Particles Other than
Silica Fume, International Symposium onUltra-High-Performance Concrete, 2004, 13-15, 213225.
[14] Tasdemir, M.A., Bayramov, F., Kocatürk, A.N., Yerlikaya, M., Betonun Performansa Göre
Tasarımında Yeni Gelişmeler, Beton 2004 Kongresi, 10-12 Haziran 2004, 24-57, İstanbul.
[15] İpek, M., Yılmaz, K., Sıkıştırma Basıncının Reaktif Pudra Betonunun Eğilme Dayanımına Etkisi,
5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye.
[16] Yiğiter, H., Yüksek Performanslı Betonların Süneklik Özelliğinin Araştırılması, Yüksek Lisans
Tezi, pp 65, Dokuz Eylül Üniversitesi, 2002.
[17] Topçu İ.B, Karakurt C., Reaktif Pudra Betonları, İMO, Türkiye Mühendislik Haberleri
Dergisi (TMH), Yıl 50/2005-3, Sayı 437, ss. 25-30.
[18] Menefy, L., Investigation of reactive powder concrete and it's damping characteristics when
utulised in beam elements, Griffith School of Engineering, Griffith University, 2007, Phd Thesis,
207 pages.
[19] Kalifa, P., Menneteau, F.D., Quenard D., Spalling and Pore Pressure in HPC at High
Temperatures, Cement and Concrete Research, 2000, 30, 1915-1927.
[20] Lee, J., Xi, Y., Willam, K., Properties of Concrete after High-Temperature Heating and Cooling,
ACI Materials Journal, 2008, 105, 334-341.
45
Reaktif Pudra Betonunun Teknik Özelikleri Üzerine Bir İnceleme
ECJSE 2014 (1) 29-46
[21] Peng G.F., Kang Y.R., Huang Y.Z., Liu X.P., Chen Q., Experimental Research on Fire Resistance
of Reactive Powder Concrete, Advances in Materials Science and Engineering, 2012, Article ID
860303, 6 pages
[22] Topçu İ.B., Karakurt C., Reaktif Pudra Betonu ve Uygulamaları, İnşaat Haber, Ocak-Şubat
2005, Sayı 2, ss. 32-33.
[23] www. iston.com.tr Reaktif pudra ürünleri ve prefabrik ürünler.
[24] Yazıcı, H., Yardımcı, M.Y., Aydın, S., Karabulut, A.Ş., Mechanical properties of reactive powder
concrete containing mineral admixtures under different curing regimes, Construction and Building
Materials, 2009, 23, 1223-1231.
[25] Yazıcı, H., Yardımcı, M.Y., Yiğiter, H., Aydın, S., Turkel, S, Mechanical properties of reactive
powder concrete containing high volumes of ground granulated blast furnace slag, Cement &
Concrete Composites 2010, 32 ,639-648.
46