Beton Karışım Hesabı İle Malzeme Seçimi Nasıl Olmalıdır? (Ahmet Özürün Makalesi)

[Medeniyet Mühendisi]

TS EN 802 BETON KARIŞIM HESABI İLE MALZEME SEÇİMİ NASIL OLMALIDIR,
VE
NANOTEKNOLOJİ İLE BETON KARIŞIMIN ÖNEMİ NEDİR. ?

Bir projede görevliyseniz yapılacak işlerden biride beton karışım tasarımıdır. Maalesef TS EN 206-1 ve TS EN 13 515 şartnamelerinde ,hazır beton tesislerinde görev alacak olan İnşaat mühendisi hakkında mecbüriyet yoktur. Peki bu önemli olayı kimler tasarlıyor? Dediğimizde ise dışardan destek danışmanlarla beton santralinde teknisyen grubu çözmektedir. Daha idealist üreticiler ise bu önemli konuya bir inşaat mühendisi ile sürekli çözüm aramakta olduklarını görüyoruz. Bu bilinçli üreticilere teşekkürlerimizi borç biliriz.
Şimdi bizde beraber bir şantiyede ya da hazır beton tesisinde görev aldığımızı düşünerek örnek bir beton karışım tasarımı ve hesabını beraber yapalım..

Önce betonun bileşenleri nedir diyerek basit bir şekilde aşağıdaki tabloda gösterelim.



Projeyi inceleyecek olursak;
Donatı aralığı; 15 cm ,en dar kesit ;12 cm olsun .Donatının paspayı ;30 mm olan bir yapıda beton cinsimiz ; C30/36 beton istenilmektedir.

Kullanacağımız malzememizi tanıyalım;
Çimento ; CEM 42,5 N (HACİM ϒc=3.10 kg./dm3)(Tablo-1)
Çimentonun yoğunluğuna tablo TS.EN 802



Agreganın boyutlandırılması
Beton karışım hesabı yapılırken, betonun kullanılacağı yapı elemanlarının boyutları, elamanlarının boyutları, elemanın karşılaşacağı zararlı kimyasal etkiler. Don, aşırı sıcaklık, aşınma gibi, dış etkiler ile elemanın sahip olması gereken geçirimsizlik, dayanım, dayanıklılık, yoğunluk, işlenebilme ,hacim sabitliği, görünüş ve diğer özelikleri göz önünde bulunduruldu. Agreganın tane büyüklüğü dağılımı su/çimento hava katkı maddesi miktarları buna göre tablolardan alınacaktır.




D max Hesaplanması;
Döşeme derinliği;120x1/3=40 cm.
En dar kesit; 120x1/5=24 mm
Donatı aralığı ;150x3/4=112,5 mm olduğundan
Dmax.=24 mm olduğundan ,(D max küçüldükçe çimento miktarı artar. Artırmamak için katkı artırılarak çözülebilinir.)(Tablo-3)


D max kriteleri nelerdir;
              <1/5 kalıp genisliği
              < 1/3 döseme kalınlığı
Dmax      < 3/4 iki donatı arası uzaklık
              < net beton örtüsü (pas payı )
              < 1/3 pompa borusu iç çapı




Hedef basınç dayanım tespit edilmesi tablodan seçilecek olursa C 30/36 olur.
Fcm=360 kgf/cm2
Su/Çimento oranı 0,45 alalım.(Her zaman küçük olan seçilir.)(Tablo-4)





Toplam agrega kütlesi ise:
Ma = Va × ρa = 695.9×2.681 = 1866 kg olmaktadır.
Her bir agrega karısım yüzdelerine göre dağıtıldığı takdirde ve elek analizleri ile yapılan ön çalışmalar sonucu en uygun karışım aşağıda çıkartılmıştır.
I.kırmatas%25+ II. Kırmatas(% 35)+ Kum%40=100 (TS 802)(Tablo-6)




I. kırmataş; 1866 x 0.25 = 467 kg (KYD)(%25)(Tablo-2)
II. kırmataş ;1866 x 0.35 = 653 kg (KYD)(%35)
Kum ;1866 x 0.40 = 746 kg (KYD)(%40)

Stokda agreganın su emme hesabı;
I. kırmataş; 467 × (0.008 – 0.003) = 2.335 kg (KYD hal için gerekli su)
II. kırmataş; 653 × (0.008 – 0.005) = 1.959 kg (KYD hal için gerekli su)
Kum ;746 × (0.012 – 0.038) = -19.396 kg (KYD halden fazla su)(Tablo-7)


Düzeltmelerden sonra reçete asağıdaki hale gelmektedir.
Çimento ;372 kg
Su; 171 + 2.335 + 1.959 – 19.396 = 156 kg
I. kırmatas ;467 – 2.335 = 465 kg (stok)
II. kırmatas ;653 – 1.959 = 651 kg (stok)
Kum ;746 + 19.396 = 765 kg (stok)
Toplam ;2409 kg/m3(Tablo-5)







Binamız konutsa; En büyük çökme değeri 10 cm.minumum çökme değeri 5 cm olduğundan ortalamaları alınarak çökme değeri 7 cm olarak belirlendi.
Betonun karışım suyu miktarının tespiti ise şöyle olur;
Çökme değerinin 7 cm olması ,hava miktarı da %2 olarak belirlendi(Tablo-8)



Katkı seçimi; ve hacmi;
Toplam çimento dozajı 372 kg/m3 olduğuna göre kimyasal katkı miktarı 1 m3 betonda
Akışkanlaştırıcı katkı miktarı, 372 ×1,5 /100 = 5,5kg ve
Hava sürükleyici katkı miktarı 372× 0,0005 /100 = 0,18 kg olarak hesaplanır.
Bu miktar kimyasal katkıların hacmi ise sırasıyla 5,5 /1,15 = 4.78 dm3 ve 0,18/1,01 = 0,17 dm3 olarak
bulunur.

Beton karışım tasarımında göz önünde bulundurulması gerekli bazı
Faktörler;
Betonda aranan bazı özelliklerin, beton bileşenleri ile olan ilişkileri, karışım hesabında göz önünde
bulundurulmak üzere aşağıda belirtilmiştir.

1.) İşlenebilme özelliği
İşlenebilme, betonun ayrışmadan yerleştirilip sıkıştırılarak istenilen görünüşe sahip olabilmesidir. Bu özellik; tane dağılımı, tane şekli, çimento miktarı, hava, katkı maddesi ve kıvamı uygun seçilmiş karışımlarda istenildiği gibi ortaya çıkar.

2.) Kıvam
Kıvam, karışım suyu nedeniyle taze betonun kazandığı akıcılığın ölçüsüdür. Tane dağılımı iyi seçilmiş taze betona belirli bir kıvam kazandıracak su miktarı, bu dağılımın oranları değişmemesine rağmen, agreganın yapısına bağlı olarak değişebilir. Çok köşeli ve gevşek yapılı agregaların su ihtiyacı daha fazladır. En büyük tane büyüklüğü arttıkça su ihtiyacı azalır. Karışıma hava katılması ve bazı katkılar da su ihtiyacını azaltır.

3 .)Dayanım
Genellikle karışıma giren su miktarı azaldıkça dayanım artar. Ancak seçilen bir su/çimento oranı için her zaman aynı dayanımların elde edilmesi beklenemez, çünkü su/çimento oranının değişmemesine rağmen; en büyük tane büyüklüğü, tane dağılımı, agreganın yüzey yapısının, biçiminin, dayanımının veya çimentonun tipinin veya üretici fabrikanın veya hava miktarının değişmesi, katkı kullanılması veya kullanılmaması betonun dayanımını etkiler.

4.) Dayanıklılık (Durabilite)
Beton donma ve çözülmeye, ıslanma ve kurumaya, ısınma ve soğumaya, zararlı kimyasal etkilere dayanıklı olmalıdır. Betonun bu etkilere dayanıklılığını sağlamak için bazı hallerde özel çimento kullanmak yeterli olabilir. s/ç oranının küçük tutulması, zararlı etkili kimyasal maddelerin girmesini zorlaştıracak az geçirimli bir yapı oluşturacağı için yararlıdır. Donma ve çözülmeye maruz kalacak betonlarda hava sürükleyici katkıların kullanılması uygun sonuç sağlamaktadır.

5 .)Birim hacim kütle
İstinat duvarı, su altında döşenecek boru gibi betonun ağırlığının önemli olduğu yapılarda, kohezif ve ağır beton elde etmek gerekir. Bunun için gerektiğinde özel agrega da kullanılabilir.

6.) Çimento hidratasyon ısısı
Hidratasyon ısısının zararlı etkileri olabileceği hallerde, uygun çimento tipi ve çimento miktarının olabildiğinceküçük seçilmesine çalışılmalıdır. Çok gerekli durumlarda hidratasyon ısısı çok düşük (Yüksek belitli çimentolar, düşük alüminatlı çimentolar, yüksek oranda cüruflu çimentolar vb.) veya katkılı (uçucu kül, cüruf ve tras vb.) çimentoların kullanılması düşünülmelidir. Çimento miktarının gereğinden fazla seçilmesinin rötre ve sünme üzerinde de zararlı etkisi olacağı göz önünde bulundurulmalıdır.


Nanoteknoloji nedir:
Nanoteknoloji, maddenin atomik, moleküler ve supramoleküler seviyede kontrolüdür. Nanoteknolojinin ayrıca bugün moleküler nanoteknoloji olarak bahsedilen en eski ve yaygın tanımı, tam olarak ‘makro ölçek ürünlerinin imalatı için atomların ve moleküllerin kontrolünün belirli bir amacı’nı ifade etmektedir. Nanoteknolojinin daha genel tanımı sonradan National Nanotechnology Initiative tarafından yapılmıştır. National Nanotechnology Initiative, nanoteknolijiyi ‘en az bir boyutunun büyüklüğü 1’den 100 nanometreye kadar olan maddenin kontrolu olarak tanımlar.


Nanoteknoloji ile beton karışımın önemi nedir. ?
Bağlayıcı malzemelerin kullanımı tarihsel olarak çok eski zamanlara kadar uzansa da günümüzde üretilen çimento ve hazır beton özelikleri, standartları ve deney yöntemleri ile yeni denebilecek yapı malzemeleridir. Araştırmacılar ve uygulayıcılar şimdiye kadar betonu ve beton bileşenlerini mikro, mezo ve makro ölçekte incelemiştir. Belki de bu nedenle bazı temel sorulara henüz net cevaplar bulunamamıştır. Günümüzde birçok alanda olduğu gibi nanoteknoloji hem beton hem de beton bileşenleri alanında uygulanmaya başlanmış ve belirli bir aşama kaydedilmiştir. Şimdiye dek devrim yaratacak bir gelişme olmasa da nanoteknolojinin betonun geleceğinde önemli bir yeri olacağı kesindir. İlk olarak beton kimyasallarında başlayan bu eğilim sayesinde beton uygulamalarında belirgin kolaylıklar elde edilmiştir.

Nanoteknolojinin çimento esaslı malzemelerin performansını ve dürabilite özeliklerini iyileştireceği şu ana kadar elde edilen sonuçlar çerçevesinde kesindir. Yapılan birçok araştırma sonucu nano-partiküllerin aşağıda belirtilen hususlarda önemli iyileşmelere neden olabileceği tespit edilmiştir *1,8+:

-Agrega-çimento hamuru arasında aderansın kuvvetlenmesi,
- Mikro çatlak oluşumunu azalması ve bu çatlakların kendiliğinden iyileşmesi,
- Beton geçirimliliğinin azalması,
- Rötre oluşumunun azalması,
- Kil içeren agregaların olumsuz etkisinin azalması,
- Elastisite modülünün artması,
-Betonun sıcaklığa direncinin artması,
- Alkali-silika reaksiyonu, korozyon, donma-çözülme gibi dürabilite özelliklerinin iyileşmesi.

Beton biliminin, her geçen gün gelişmekte olan nanoteknolojiden zaman içinde elde edeceği yarar artacaktır. Betonun nano boyutta tasarlanması konusunda yeni gelişmeler devam etmektedir.

Bunlara örnek olarak;
-Nanopartikül veya nanotüplerle güçlendirilmiş yüksek performanslı bağlayıcılar, nanoçimento,
-Sıcaklık, nem veya gerilme algılayabilen akıllı beton,
-Deforme olabilen, büzülmeyen, düşük termal genleşmeli beton,
-Az miktarda Portland çimentosu içeren, nanopartikül ihtiva eden modifiye eko-bağlayıcılar,
-MgO, fosfat, jeopolimer, alçıtaşı gibi alternatif nanopartiküller ihtiva eden eko-bağlayıcılar,
-Fotokatalitik teknoloji bazlı kendi kendini temizleyebilme özeliğine sahip beton,
-Kendi kendini onarabilen beton bunun en iyi anlatan örnekleridir.

Türkiye'de aktif biçimde nanoteknolojiden yararlanan kuruluşların sayısı bir hayli azdır. Nanoteknoloji ile ilgili kuruluşlar, genellikle; enerji, otomotiv, savunma, havacılık, tekstil, kimya ve inşaat sanayi ile ilgili çalışmalara odaklanmakta ve bu alanlarda nanoteknolojiyi kullanmaya çalışmaktadır. Üniversitelerimizde de nano teknoloji araştırma merkezleri kurulmakta ve araştırma etkinlikleri devam etmektedir.
Nanoteknolojinin yapı malzemelerine özellikle de çimento esaslı malzemelere adaptasyonuyla beton biliminin daha da ileri gideceği aşikardır. Bu çalışmaların devamında endüstriyel uygulamalara odaklanarak, temel araştırmaları daha da ilerletip sanayinin kullanabileceği düzeye gelmesini sağlamak en önemli hedeflerden biri olmalıdır.
Nano-fiber ve nano-silika gibi malzemeler kullanılmaya başlanmış ve son yıllarda kendiliğinden sıkışan beton, ışık geçiren beton, kendini temizleyen beton, kendi kendini onaran beton gibi yeni ürünler meydana gelmiştir. Karbon nano-tüpler, sentetik C-S-H jelleri ve nano-kil gibi konular üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Bu yazıda güncel gelişmeler ışığında nanoteknolojinin betonun geleceğindeki rolü ile ilgili genel bir bakış açısının oluşturulması amaçlanmıştır.
Nana teknoloji ile yakın gelecekde betonla ilgili şartnameler tekrar güncelleşeceği beklenmektedir.
Hatta yapı mimarilerine kadar etkileceğini düşünmekteyim. Mimarlar yaşam tarz modellemelerini nanoteknoloji ile yeni bir ufukla bakacağını umut etmekteyim.

Teşekkürederim.

21.09.2014
Ahmet Özürün
İnşaat Mühendisi

Kaynaklar;
1.)Yrd.Doç.Dr.Osman Şimşek (Beton ve Beton teknolojisi kitabı 4.baskı)
2.)TS EN 802 Beton karışımı ve hesabı,
3.)İTÜ makaleleri,
4.)Akçansa AR-GE çalışmaları
5.)ACI 206 ve 207