YÜKSEK SICAKLIK ETKİSİNDE BETON DAVRANIŞI

Özet Herhangi bir nedenle yüksek sıcaklık etkisine maruz kalan betonarme elemanlarda betonun ve çeliğin mekanik ve fiziksel özelliklerinde değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler sonucunda betonda çatlama ve parça atma davranışı gözlenirken, aderansta da önemli kayıplar oluşur.

Konut, okul, fabrika, işyeri gibi binalar, tünel, köprü, petrol platformu gibi yapılar, işlevleri gereği veya yangın nedeni ile yüksek sıcaklık etkisinde kalabilirler. Yapılarda durabilite problemine yol açan başlıca fiziksel etkilerden biri olan yüksek sıcaklık, kalıcı hasarlar oluşturarak yapının servis dışı kalmasına, can ve mal kaybına neden olabilmektedir . Örneğin Danimarka’da bulunan Great Belt Tünelinde ve Channel Tünelde çıkan yangınlarda, yüksek sıcaklık etkisi ile betonda meydana gelen patlama ve parça atmalar nedeni ile beton kesitindeki azalmalar ağır hasarlara yol açmıştır.

A sınıfı, yanmayan yapı malzemelerini içermektedir A sınıfı, yanmayan yapı malzemelerini içermektedir. Bu sınıfın A1 ve A2 olarak iki alt sınıf vardır. A1 sınıfındaki yapı malzemeleri hiç yanmaz; yangın karsısında alevlenmez, ışıldamaz ve kömürleşmez. Bu sınıfa giren malzemelerin belirlenmesi için tüp fırın deneyi uygulanır. Bu malzemeler genellikle kagir malzeme gurubundadır; Kum, çakıl, kil, yapı tasları, Mineraller, toprak, lav, sünger tası, Çimento, kireç, alçı, anhidrit, Cüruf, genleşmiş kil ve şist, cam, perlit, vermikülit, Harç, beton, betonarme, öngerilmeli beton, mineral dolgulu yapı tasları, yapı blokları, Asbestli çimento ve mineral lifler,

Yüksek SIcaklIk KaynaklarI Yüksek sıcaklığa sebep olan yangın ise katı, sıvı ve/veya gaz halindeki maddelerin kontrol dışı yanması olayıdır. Şekil-1’de verilen standart sıcaklık-zaman eğrisinde, sıcaklığın 10 dakika gibi kısa bir zamanda yaklaşık 650°C’ye hızla yükseldiği ve yangın süresince de 1200°C’ye ulaşabileceği görülmektedir.

Şekil-1: Standart sıcaklık-zaman eğrileri

Yüksek SIcaklIğIn Betona Etkİlerİ Beton, yanmayan madde oluşu, belirli bir süre için önemli derecede zarar görmemesi ve zehirli duman çıkarmaması ile yangın direnci yüksek bir malzemedir . Ancak bu dayanıklılık, sınırlı süre ve belirli sıcaklıklar için geçerlidir . Örneğin silis esaslı agrega ile üretilen normal dayanımlı betonda 600°C’de dayanım kaybı yaklaşık %50’dir .

Bilindiği gibi betonun basınç dayanımı, porozitesi ile ilişkilidir Bilindiği gibi betonun basınç dayanımı, porozitesi ile ilişkilidir. Betonun porozitesi arttıkça basınç dayanımı azalır. Betonun katı fazlarını oluşturan çimento hamuru ve agrega, yüksek sıcaklığa maruz kaldığında betonun gözenek yapısını etkiler. Genellikle, sertleşmiş çimento hamuru 20-200ºC civarında genleşir. 200ºC’nin üstünde farklı yoğunlukların etkisiyle büzülür, bu sırada da agrega genleşir. Bütün bu değişiklikler gözenek boyutunu büyütür. 500ºC’ye kadar kapiler ve jel suyunun ayrılması toplam boşluk hacminde önemli bir artışa neden olur.

Sıcaklık 500ºC’nin üzerindeyken, çatlaklar çimento hamurunda gelişir, boyutları 0,01 mm’den büyüktür. Ayrıca agregaları çatlatırlar, bunların boyutları ise 0,05 mm’den büyüktür ve artık çatlaklar gözle görülebilir. Silis esaslı kum kullanılarak üretilmiş silis dumanı katkılı harçta yüksek sıcaklık (600ºC) etkisi öncesi ve sonrası elektron mikroskoptan alınan görüntülerde (Şekil-2) çimento hamurunda, arayüzde ve kısmen agreganın kendisinde de çatlakların oluştuğu görülmektedir.

Şekil-2:Harçta sıcaklık etkisi öncesi ve sonrası (600ºC) görüntüsü

Agrega Agregalar betonda %60-80 arasında bir hacmi doldururlar. Özeliklerindeki farklılıklar ısıtma sırasında betonun termal genleşme katsayısı ve termal iletkenliğini ve performansını önemli derecede etkiler. Agregaların yüksek sıcaklıkta betona etkisi mineral yapılarına ve boşluk oranına bağlıdır. büzülme ve genleşmeler dayanımda ciddi azalmalar meydana getirir.

Khoury’nin yapmış olduğu bir derlemede Abrams’ın çalışmasına yer verilmiş ve bu çalışmada üç farklı tür agreganın kullanıldığı beton numunelere yüksek sıcaklık etkisi araştırılmıştır. Çalışmada 600ºC’ye kadar ısıtılan kalker esaslı ve hafif agregalı betonların basınç dayanımlarının silis esaslı agregalara göre daha yüksek olduğunun gözlendiği belirtilmiştir (Şekil-3).

Şekil-3:Beton basınç dayanımının agrega türüne göre sıcaklıkla değişimi

Granit ve bazalt gibi volkanik kayaçlar ise 1000ºC’ye kadar kararlı yapıda kalabilmektedir. Ancak sıcaklığın aniden artması ve azalması parçalanmalara neden olabilir. Pomza, sünger cüruf (foamed slag) ve genleştirilmiş kil ürünleri gibi hafif agregaların yangın dirençleri yüksektir. Hafif agregalardan üretilmiş betonların ısı iletkenliği düşüktür.

Mİneral KatkIlar Silis dumanı, uçucu kül ve cüruf gibi mineral katkı malzemelerinin kullanımı yüksek performanslı beton hazırlamada en etkin yoldur . Silis dumanı içeren betonlarda yüksek sıcaklıklara karşı direnç katkı miktarına ve dayanım düzeyine bağlı olarak değişebilmektedir. Yapılan çalışmalarda %6’nın üzerindeki oranlarda silis dumanı kullanımının yüksek sıcaklık etkisindeki betona olumlu yönde bir katkısının olmadığı bildirilmiştir.

Uçucu kül, 121-149ºC’ler arasında, sıcaklığın ve basıncın etkisiyle tobermorit jeli oluşturarak betonun basınç dayanımını %152 oranında arttırmaktadır. Oluşan tobermorit jeli termal uyumsuzluk gösteren agrega ile çimento hamuru arayüzünü güçlendirerek mikro çatlak oluşumunu engeller. Örneğin, uçucu kül katkısız betonlarda 200˚C’de basınç dayanımı azalırken, uçucu kül katkılı betonların dayanımının arttığı tespit edilmiştir.

Lİflerİn Etkİsİ Malzemeler, özellikle çekme, eğilme ve çarpma dayanımları gibi mekanik dayanımlarının iyileştirilmesi, gevrek kırılma özelliğinin kısmen giderilebilmesi amacıyla liflerle donatılmaktadır. Çimento harçları ve betonların donatılmasında, yaygın olarak kullanılan çelik ve polipropilen liflerin yanında, asbest lifi, özel cam lifleri, karbon lifleri ve selüloz, sisal, hindistancevizi lifleri gibi değişik bitkisel liflerden de yararlanılmaktadır.

Phan tarafından gerçekleştirilen çalışmada, yüksek sıcaklık etkisi altında Betonun boşluk basıncının 105-160ºC’de belirgin bir şekilde oluştuğu 160-180ºC’den itibaren ani bir şekilde arttığı ve 220-245ºC’lerde en yüksek değerlere ulaştığı (2,1 MPa), bu noktadan sonra betonun parçalandığı ya da boşluk basıncının azaldığı tespit edilmiştir (Şekil-4). Lifli betonlarda yüksek sıcaklık etkisinde boşluk basıncının önemli ölçüde azaldığı sonucuna varılmıştır.

Şekil-4:Boşluk basıncı-sıcaklık ilişkisi

Heo vd. nin yüksek sıcaklık altında betonun parça atma özelliğini incelemek amacıyla yaptıkları çalışmada farklı oran ve uzunluklarda, 4 farklı lif; polipropilen (PP), polivinil alkol (PVA), selüloz (CF) ve naylon (NY) lif kullanılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, parça atmanın önüne geçebilmek için, kullanılan lifin tipi, uzunluğu, içeriğinden ziyade, birim hacimdeki toplam lif sayısının ve lifin erime noktasının önemli olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bunun sonucu olarak, aynı oranlarda kullanıldığında naylon liflerin birim hacimde daha çok bulunabilmesinden dolayı diğer liflere göre daha avantajlı olduğu görülmüştür.

Beton üretiminde kullanılan bir diğer lif türü olan çelik lifler, yüksek sıcaklıklarda betonda çatlak oluşmasına katkıda bulunurlar. 500ºC’nin üstünde okside olurlar. Okside olan çelik liflerin hacmi, çevresindeki dehidrat çimento hamuruna basınç uygular ve çatlakların ilerlemesini kolaylaştırır. Ultra yüksek dayanımlı betonlarda yüksek sıcaklıklarda patlamaların azalmasını sağlarlar. Betonarme yapıların yüksek sıcaklığa karşı davranışını belirlemedeki temel değişkenin aderans dayanımı olduğu bilinmektedir. Betonda çelik ve/veya polipropilen lif kullanılması yüksek sıcaklık etkisi altında beton ile çelik donatı arasındaki aderansı da olumlu yönde etkilemektedir.

Yüksek SIcaklIğIn Betonun Termofİzİksel ve Fİzİksel Özelİklerİne Etkİlerİ

IsI Şoku Parametresİ Gevrek malzemelerde sıcaklık değişimleri hızlı ve sıcaklık gradyanı yüksek ise büyük ısıl gerilmeler ve dolayısıyla çatlamalar oluşabilir. Ani sıcaklık değişimlerinde oluşan termal şok, betonda büyük termal gerilmeler ve çatlaklar oluşturmakta, buna bağlı olarak yüksek sıcaklık etkisi sonrası suda soğutulan betonların havada soğutulan betonlara göre dayanımındaki kayıp oranı daha fazla olmaktadır.

Renk Yüksek sıcaklığın etkisinde kalan betonun renginde bazen önemli değişiklikler meydana geldiği, bu değişikliklere bakılarak betonun maruz kaldığı maksimum sıcaklığın tahmin edilebildiği, özellikle silisli nehir agregaları ile üretilen betonlarda renk değişiminin belirgin olarak görüldüğü, örneğin renk pembe veya kırmızı ise sıcaklığın 300-600°C’ye, gri ise 600-900°C’ye yükseldiği görülmüştür. Renkteki farklılığa limonit gibi demir bileşenlerinin varlığı ve yüksek sıcaklıkta bazı elementlerin oranlarındaki değişim neden olur. Bu değişim betonun ulaştığı maksimum sıcaklığın ve eşdeğer yangın süresinin belirlenmesinde kullanılabilir.

Betonun derinliğe bağlı sıcaklık değişimi ile derinliğe bağlı renk değişimi arasında ilişkinin araştırıldığı çalışmalarda, tek bir yüzeyden yüksek sıcaklık etkisine maruz kalan betonda sıcaklık derinliğe bağlı olarak azalırken rengin de değiştiği tespit edilmiş edilmiştir.(Şekil-5)

Şekil-5: Sıcaklığın derinlikle değişimi

Yüksek SIcaklIğIn Betonun Mekanİk ÖzelLİklerİne Etkİlerİ Betonarme yapılar, yangın, termal şok, endüstriyel uygulamalar vb. durumlarda yüksek sıcaklığa maruz kalmaktadır. Çoğu durumda yüksek sıcaklık beton elemanlarda ve taşıyıcı duvarlarda önemli hasarlara yol açmaktadır. Betonarme yapılarda ana taşıyıcının beton olduğunu düşünürsek, betonun yüksek sıcaklıklardaki mekanik özeliklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Yüksek sıcaklığın betonun basınç dayanımı, çekme dayanımı ve elastisite modülü gibi mekanik özeliklerine etkisi ayrı ayrı incelenecektir.

BasInç DayanImI Yüksek sıcaklığın betonun basınç dayanımına etkisi şu şekilde özetlenebilir; basınç dayanımı 90˚C’de azalır, bu azalma %10-35 oranındadır. Bu sıcaklıktan sonra 200˚C’ye kadar dayanımda artış gözlenirken 200˚C’den sonra beton dayanımı sürekli olarak azalır (Şekil-6). Lea ve Straaling ise betonda 300ºC’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. 800˚C’de dayanım kaybı %20-50 arasındadır. Dayanımdaki bu değişimi beton üretiminde kullanılan agrega türü ve oranı doğrudan etkiler. Kalker esaslı agrega ile üretilen betonlar yüksek sıcaklık etkisi altında, silis esaslı agrega ile üretilen betonlardan daha iyi performans gösterirler.

Şekil-6:Basınç dayanımının sıcaklıkla değişimi

Beton sınıflarının yüksek sıcaklık etkisinde, sıcaklık sonrası kalan dayanımları (fθ) Şekil-7’de verilmiştir. Buna göre normal dayanımlı beton için kritik sıcaklık olarak belirtilen 600°C’ta silis ve kalker esaslı agrega ile üretilen betonlarda dayanım kaybı sırası ile %55 ve %45 iken 3. sınıf yüksek dayanımlı beton için bu oran %75’e düşmektedir. 1. ve 2. sınıf yüksek dayanımlı betonlar için önerilen tasarım değerleri ise sırası ile 300°C ve 400°C’tan sonra silis agregalı beton için verilen değerler ile aynıdır. Bu standarda göre 900°C sıcaklığa maruz kalmış betonların (dayanım sınıfına bakılmaksızın) taşıyıcılığının gözden çıkarıldığı söylenebilir.

Şekil-7:Sıcaklık-kalan basınç dayanımı ilişkisi

Çekme DayanImI Yüksek sıcaklık etkisinde yarma deneyi ile elde edilen çekme dayanımlarında 100ºC’den itibaren önemli düşüşler olmakta ve 600ºC’de kayıp %70’lere varmaktadır. Guise vd. tarafından yapılan deneysel çalışmada ise uçucu kül ve yüksek fırın cürufu katkılı ve katkısız beton numunelerde, 200 ve 300ºC’de eğilmede çekme dayanımında önemli ölçüde azalma olduğu görülmüştür.

Elastİsİte Modülü Sıcaklığın betonun elastisite modülüne etkisi Şekil-8’de verilmiştir. Kütle halinde kür edilmiş betonlarda 21 ile 96ºC’ler arasında elastisite modülünün değerinde herhangi bir değişiklik yoktur. Ancak sıcaklık 121ºC’ye ulaştığında elastisite modülünün değeri azalmaktadır. Su betondan uzaklaştığında, 50 ile 800ºC’ler arası elastisite modülündeki azalma giderek artmaktadır. Genel olarak dayanımdaki azalma ile elastisite modülündeki azalma benzer eğilim göstermektedir.

Şekil-8:Betonun elastisite modülünün sıcaklıkla değişimi

Beton yanıcılık açısından A1 sınıfı yani “hiç yanmaz” grubunda yer almasına rağmen herhangi bir nedenle yüksek sıcaklık etkisine maruz kaldığında, maruz kalınan sıcaklık ve etki süresi betonun mekanik, fiziksel ve termofiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu etkiler özellikle 600˚C ve üstü sıcaklıklarda daha belirgin bir şekilde kendini gösterir. Beton bu sıcaklıkta dayanımının yaklaşık yarısını kaybettiğinden dolayı bu sıcaklık kritik sıcaklık olarak adlandırılır.

Normal betona kıyasla yoğun bir yapıya sahip olan ve daha gevrek davranış gösteren yüksek dayanımlı betonlar, yüksek sıcaklıktan daha fazla etkilenirler. Normal dayanımlı beton için kritik sıcaklık 600˚C iken çok yüksek dayanımlı beton için bu değer 400˚C’ye düşer. Özellikle yüksek dayanımlı beton üretiminde %10 ve üzeri oranda silis dumanı kullanılması, betonun yüksek sıcaklık performansını olumsuz yönde etkiler. Bu olumsuz etkinin azaltılması amacı ile polipropilen vb. liflerden yararlanılmaktadır.

YÜKSEK SICAKLIKLAR

DAYANIM KAYBI

YÜKSEK SICAKLIKÖNLEMLERİ Mineral katkı kullanımı Uçucu kül Yüksek fırın cürufu Silisi dumanın yüksek sıcaklık dayanıklılığına katkısı yok !! Termal olarak stabil agrega kullanımı Kalker kökenli agregalar silis kökenlilere kıyasla daha iyi Yeterli pas payı kalınlığının sağlanması (Binaların yangından korunmasına ilişkin yönetmeliğe göre minimum 4 cm)

YÜKSEK SICAKLIKLARDA ÇELİĞİN σ-ε DAVRANIŞININ DEĞİŞİMİ

YÜKSEK SICAKLIKLAR 1-2 SAAT Max.250ºC’ye KADAR FAZLA SORUN YOK ! 100~150ºC KILCAL BOŞLUKLARDA SUYUN BUHARLAŞMASI 150~200ºC BÜZÜLME, KILCAL ÇATLAK OLUŞUMU ÇEKME DAYANIMINDA DÜŞÜŞ - PEMBEMSİ RENK ~300ºC ALUMİNLİ ve DEMİR OKSİTLİ BİLEŞENLERDE BÜNYE SUYU KAYBI-BASINÇ DAYANIMINDA DÜŞÜŞ - KOYU PEMBEMSİ - KIRMIZIMSI RENK ~400ºC Ca(OH)2 CaO %30 HACİM AZALMASI (İTFAİYE SU SIKINCA) 400~600ºC CSH YAPISININ TAHRİBİ – GRİ - BEYAZ – RENK DAYANIMDA %80 AZALMA