REAKTİF PUDRA BETONU

İlk olarak 1930’lu yıllarda EugeneFreyssinet taze betona priz sırasında uygulanacak basınç kuvvetinin, betonun basınç dayanımını artırmada olumlu etkisi görülmüştür.  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. Reaktif Pudra Betonu (RPB) küp basınç dayanımları 200 ve 800 MPa arasında, çekme dayanımları 25 ve 150 MPa arası ve kırılma enerjileri yaklaşık 30000 J/m2 ve birim ağırlıkları 2500-3000 kg/m3 aralığında değişen özel beton çeşididir.

Reaktif Pudra Betonunun Yapısı ve Özellikleri

RPB’nin iç yapısı daha sıkı tane granülometrisine sahip olup, mikroyapısı yüksek dayanımlı betona (YDB) göre en kuvvetli çimentolu hidrate ürünler ile güçlendirilmektedir. RPB’nin yüksek performansı genel olarak mikroyapı mühendisliği yaklaşımı ile sağlanmaktadır. Mekanik dayanım olarak RPB, YDB’ye göre 2-4 kat daha fazla dayanım sağlayabilmektedir. RPB üstün mekanik ve fiziksel özelliklere, mükemmel sünekliğe ve aşırı derecede düşük geçirimliliğe sahip ultra yüksek dayanımlı çimento esaslı kompozit bir malzemedir. İri agrega tanelerinin beton karışımından çıkarılması, karışımdaki su/çimento oranının azaltılması, silisyum ve kalsiyum oranının silis içerikli malzemelerin kullanılması ile azaltılması ve karışıma çelik lif karıştırılması RPB’yi yüksek performanslı bir kompozit malzeme haline getirmektedir. Çelik lif donatının güçlendirme etkisi özellikle RPB’nin eğilme dayanımı üzerinde olmaktadır. Kompozit içindeki çelik lif dağılımı ne kadar homojen olursa eğilmeye karşı olan dayanım da o oranda artmaktadır.

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 süperakışkanlaştırıcı 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 Amerikan Test ve Malzeme Kurumu  (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 ile RPB eğilme altında malzeme çelik donatılı bir kiriş gibi davranabilmektedir. RPB’ninsünekliğini artırmak için karışıma 0.15-0.3 mm çapında ve 13 mm uzunluğunda çelik lifler katılmaktadır. RPB’nin içine katılan çelik liflerin çekme dayanımı 2600 MPa civarındadır. Lif miktarı toplam beton 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 klasik beton üretiminde kullanılan teknikle aynıdır. Ancak karışıma suyun karıştırılmasında dikkatli davranılmalıdır. Agregalar ve bağlayıcı maddeler önce 3 dakika kadar kuru bir şekilde karıştırılmalıdır. Sonra su ve süperakışkanlaştırıcıdan süspansiyonun yarısı beton karışımına eklenmelidir. Bu şekilde de 5 dakika karıştırıldıktan sonra geriye kalan süspansiyonda karışıma karıştırılmalı ve 5 dakika daha karıştırma yapılmalıdır. Bu sayede RPB 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 karışımın s/ç oranı ve porozitesi azalmaktadır. Sıkıştırma işlemi ile betonun birim ağırlığı da %5 oranında artmaktadır.

Çimento esaslı malzemelerin mekanik özeliklerinin geliştirilmesinde sıcaklık kürü uygulanması bilinen en klasik tekniktir. 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 Kalsiyum/Silisyum 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 olanak sağlar. Priz sonrası sıcaklık kürü uygulanan RPB’lerde uygulanmayanlara oranla %60-70 daha yüksek dayanım elde edilmektedir. 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 edilebilmektedir. Tablo 3.2.’de RPB’de kullanılan malzemeler ve karışım oranları verilmiştir.

Reaktif Pudra Betonunun Mekanik Özellikleri

Mekanik 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 olmadan kullanılmasını sağlamıştır. Kırılma enerjisi açısından bakıldığında ise RPB’nin, klasik beton numunelerine oranla 240 kat daha fazla bir enerjiyi karşıladığı görülmüştür. Bu da özellikle deprem etkileri altında enerji yutma kapasitesi düşük olan gevrek beton malzemenin tokluğunun artması demektir. Böylece RPB kullanılan yapılarda sünekliği artan yapısal elemanlar depreme karşı daha dayanıklı bir davranış gösterebilmektedir.

Tablo 3.3.’de görüldüğü gibi RPB’ye çelik tellerin eklenmesiyle eğilme dayanımlarında 50-140 MPa arasında değişen değerler elde edilebilmektedir. Bu betonların kırılma enerjileri ise 10000-40000 J/m2’ye kadar yükselmektedir. Eğilme dayanımlarında ve kırılma enerjilerindeki değişme eklenen çelik tellerin yüzdeleriyle orantılıdır. Dayanıklılık açısından bakıldığında ise RPB’nin boşluksuz sıkı yapısı kimyasal ve çevre etkilerine karşı oldukça yüksek bir performans göstermesine olanak sağlamaktadır. YDB’lerle karşılaştırıldığında RPB’nin dayanıklılığı her koşulda üstün olmaktadır.

Reaktif Pudra Betonu Kullanım Alanları

RPB, uygulamada özellikle içinde güçlendirici çelik donatının bulunmaması mimari açıdan şekil ve boyutlar açısından sınırsız olanaklar sunmaktadır. RPB’nin ilk köprü uygulaması Kanada’da yapılan Sherbrooke köprüsüdür ve halen güvenle kullanılmaktadır. Bu yapıda kullanılan beton 200 MPa basınç dayanımı, 40 MPa eğilme dayanımı ve 50 GPa’lıkelastisitemodülüne herhangi bir çelik donatı kullanılmadan erişmektedir. Resim 2’de gösterilen köprü 60 m uzunluğunda ve 3.3 m genişliğindedir. Köprü uzay kafes sisteminde tasarlanmış olup her birinin boyu 10 m olan 6 adet prefabrik elemanın montajı ile inşa edilmiştir. Diyagonal elemanların yük aktardığı alt kiriş 32 x 38 cm boyutlarında olup iki kirişin içinden öngerme donatıları yer almaktadır.

Malzeme ayrıca, ince cidarlı yüksek basınç su ve buhar borularında, ince taşıyıcı duvarlarda, tünel yapılarında ve yüksek dayanım ve dayanıklılık iste istenen her projede kullanılabilir. Altyapıda rögar kapağı olarak kullanılmak üzere RPB üretimi gerçekleştirilmiştir. Eskiden çelikten imal edilen bu kapaklar artık şehir altyapılarında RPB olarak uygulanacaktır. Bunun yanında depremden hasar görmüş yapıların güçlendirilmesi içinde RPB kullanılabilmektedir. Deprem sonucu eğilme ve kesme çatlaklarının oluştuğu,

taşıma gücünü kısmen yitiren betonarme kirişler RPB kullanılarak güçlendirilmektedir. İnce çelik levha gibi davranan malzeme 2 cm kalınlığında kiriş altına epoksi ile yapıştırılarak güçlendirilmektedir.

Nükleer atıkların depolanması çelik ya da beton konteynırların kalın bir beton tabakasıyla sarılması ile yapılmaktadır. Amerikan Nükleer Santral Komisyonu ve Fransız Bouygues firması orta reaktiflikteki nükleer atıkların uzun süreli depolanmasında RPB kullanımı üzerine ortak çalışmalar sürdürmektedir. RPB porozitesinin düşüklüğü, üstün mekanik özelikleri ve prefabrik üretilme olanağı sayesinde nükleer atıkların daha küçük hacimlerde saklanmasını sağlayacaktır. Yüksek güvenliğin gerektiği banka ve bilgisayar merkezleri ile sığınak yapılarında kullanılan malzemeler genellikle çok pahalı metal malzemeler ile kalın beton tabakalarından oluşmaktadır. Bu hem yapıya olan ek ağırlık hemde yüksek montaj ve üretim maliyeti sorunlarını ortaya çıkarmaktadır. Prefabrike olarak üretilen ve yüksek darbe dayanımına sahip olan RPB bu gibi alanlarda kullanılarak hem ağırlık azaltılır hemde yangına ve dış etkilere karşı kalıcı ve dayanıklı bir alan daha ekonomik bir şekilde yaratılmış olur.

Yeşim SAVAŞ

Özel Betonlar Ve Uygulama Alanları – 2019 Tezi