Défauts d'Adhérence Acier-Béton dûs au Ressuage et au Tassement du Béton Frais
ÇELİK-BETON ARAYÜZ KALİTESİNİN İNCELENMESİ
ANALYSIS OF STEEL-CONCRETE INTERFACE QUALITY
Tayfun Altuğ Söylev
İstanbul Kültür Üniversitesi, İstanbul
Özet
Bu çalışmada, taze betonun terleme, çökme ve ayrışmasına bağlı olarak ortaya çıkan çelik-beton aderans kusurları incelenmiştir. Bu çalışma için, aderans kusurları, donatı altındaki beton derinliğini değiştirerek elde edilmiştir. Sıradan betondan yüksek mukavemetli betona kadar birçok karışım test edilmiştir, bunların içinde kendiliğinden yerleşen beton (KYB) da vardır. Aderans kusurları, pull-out test ile ölçülen ortalama aderans gerilmesi ve donatı altındaki kusur uzunluğu video-mikroskopla tesbit edilmiştir. Sonuçlar iki ölçüm arasında iyi bir bağlantı olduğunu göstermektedir. Sıradan betonlar için, çelik-beton arayüz kusurları çok küçük yüksekliklerde bile gözlemlenirken, süperakışkanlaştırıcı ve viskosite arttıran katkı maddelerinin varlığı çelik-beton arayüz kalitesini önemli ölçüde arttırmaktadır. Buna bağlı olarak, betonarmenin mekanik özellikleri için gerekli kenetlenme boyu, kirişin altında bulunan bir çubukla üstünde bulunan çubuk için çok farklı olabilir. Bu fark beton tipine bağlıdır ve KYB'nin sağlayacağı kazancı ortaya koymaktadır. Ayrıca, bu kusurlar çelik donatının klorür ortamındaki korozyonunu direkt olarak etkilemektedir.
Abstract
In this article, we study the defects at the interface between the hardened cement paste and embedded reinforcement, related to the phenomena of bleeding, settlement and segregation of the fresh concrete. For this study, the defects at the interface were created thanks to the variation of the depth of concrete under the reinforcement. Several compositions were tested which go from the ordinary concrete to the high performance concrete and by including the self compacting concrete (SCC). The defects at the interface are characterized by the average bond stress recorded in a pull-out test and by the length of debonding under the reinforcement measured with a videomicroscope. The results show a good correlation between these two methods of characterization. For the ordinary concretes, the defects at the steel-concrete interface appear for a low height of concrete whereas the presence of high-range water reducer or viscosity-modifying admixture significantly improves quality of the steel-concrete interface. In corollary, one realizes that the anchorage length of the bars necessary for the mechanical behavior of the reinforced concrete can vary enormously between a bar located in bottom of beam and one located in top of beam; this variation is a function of the type of concrete
and reveals the profit which the SCC can bring. Moreover, these defects affect directly the corrosion rate of steel reinforcement in chloride environment.
1. GİRİŞ
Taze beton terlemesi, çökmesi ve ayrışması birçok çelik-beton arayüz kusurunun sebebidir. Katı bileşenlerin (agrega, çimento) taze betonda serbest suyun terleme suyu olarak yükselmesine sebep olur; bu terleme suyu iri agrega ve donatı gibi engellerin altında birikebilir [1]. Bazı üretim etkenlerinden dolayı bu etkiler artabilir [1-5]. Terleme suyu, dikey bir beton kesitin alt ve üst kısmındaki su-çimento oranları arasında farklılıklar yaratır. Bu farklılıklar gözenekliliği ve mekanik özellikleri etkiler. Terleme suyunun yatay çubukların altında birikmesi, aderans kalitesini azaltır. Donatı altındaki beton derinliği bu durumun önemini arttırır [1]. ACI 318 Betonarme Yönetmeliği, donatı çubuğu altındaki beton derinliği 30 cm'nin üzerine çıktığında kenetlenme uzunluğunda %30 artış öngörmektedir.
Mekanik özelliğin ötesinde, çelik-beton arayüz kalitesi bozukluğu donatı korozyonuna neden olabilir. Korozyonun başlaması için çelik-beton arayüzünde kusurların oluşması gereklidir. Genelde, korozyonun başlaması için öngörülen klorür eşik değeri yeterli değildir. Birçok araştırmacı bu değeri farklı hesaplamıştır. Bunun sebebi farklı araştırmalardaki çelik-beton arayüz kalitesi farkı, araştırmaların bir kısmında da beton gözenek çözeltisini simüle eden alkali çözeltilerin kullanılmış olmasıdır [6-8].
Çelik-beton arasındaki kusurları azaltmanın bir yolu kendiliğinden yerleşen beton (KYB) kullanımı olabilir. Bu betonlar vibrasyon kullanılmadan, kendi ağırlığıyla yerleşebilecek şekilde akıcı, ama aynı zamanda kararlı (terleme, çökme ve ayrışmaya karşı dirençli) betonlardır. KYB, süperakışkanlaştırıcı ve viskositeyi arttıran katkıların iyi bir karışımıyla elde edilebilir. [1,9,10].
Bu araştırmada, çelik-beton arayüz kalitesini inceleyebilmek için, 2 m yüksekliğinde dikey beton kesitleri döküldü ve bunların üzerine değişik yüksekliklerde donatılar yerleştirildi. İlk olarak kesit yüksekliğiyle değişen aderans ölçüldü, bu değer aynı donatılar için video-mikrokopla belirlenen arayüz kusurlarıyla karşılaştırıldı. Bu çalışmanın devamındaki çalışmada arayüz kusurları korozyon gelişimiyle karşılaştırılmıştır.
2. DENEYSEL ÇALIŞMA
Taze betonun çökme, ve beton yüksekliği boyunca çelik-beton arayüz kalitesine etkilerini incelemek amacıyla 5 adet 200x20x20 cm boyutlarında kolon dökülmüş ve üzerlerine 13 adet değişik yüksekliklerde, yere paralel çubuklar yerleştirilmiştir (Şekil 1). Kullanılan donatı 10 mm çaplı, nervürsüz çeliktir.
Şekil 1. Aralarında 20 cm olacak şekişde yerleştirilmiş paralel 13 donatı çubuğuna sahip kolonlar
Beş değişik beton kullanılmıştır (Çizelge 1). Bunların ikisi katkısız beton (KB), ikisi kendiliğinden yerleşen beton (KYB) ve bir tane yüksek dayanımlı beton (YDB).
Çizelge 1 : Beton Karışımları
|
3 Bileşenler (kg/m ) |
KB40 |
KB20 |
KYB50 |
KYB40 |
YDB50 |
|
PÇ 52.5 |
365.5 |
304 |
450 |
310 |
430 |
|
Silis Dumanı |
30 |
||||
|
Toplam Su |
195 |
229 |
186,9 |
186 |
167 |
|
Dere Kumu 3.15 |
490 |
||||
|
Kırma Kum 0/4 |
330 |
||||
|
Dere Kumu 0/4 |
728 |
780 |
|||
|
Dere Kumu 0/5 |
736 |
990 |
|||
|
Mıcır 4/10 |
460 |
||||
|
Çakıl 4/10 |
992 |
||||
|
Mıcır 10/14 |
360 |
||||
|
Çakıl 5/15 |
1117 |
862 |
1020 |
||
|
Kireç dolgu |
140 |
||||
|
Viscocrete 2100 (akışkanlaştırıcı) |
3,84 |
||||
|
Viscocrete 3010 (viskosite arttırıcı) |
7,68 |
4,05 |
|||
|
Plastiment HP (akışkanlaştırıcı) |
1,8 |
||||
|
Sikatell 200 (viskosite arttırıcı) |
1,28 |
||||
|
Glenium 27 (superakışkanlaştırıcı) |
8,6 |
||||
|
Su/Bağlayıcı (s/b) |
0,53 |
0,75 |
0,39 |
0,60 |
0,39 |
Taze betonun çökme, gerçek özgül ağırlık ve hava miktarı, her beton için ölçülmüştür (Çizelge 2). Ayrıca, 28 günlük basınç ve çekme mukavemetleri de ölçülmüştür (Çizelge 3).
Çizelge 2. Taze beton deneyleri
|
B40 |
B20 |
KYB50 |
KYB40 |
YDB50 |
|
|
Çökme (cm) |
7,6 |
15,8 |
23 |
||
|
Yayılma (cm) |
60 |
63 |
|||
|
Hava (%) |
1,35 |
2 |
1,8 |
2,2 |
1,4 |
|
Özgül ağırlık (g/cm3) |
2,426 |
2,384 |
2,406 |
2,328 |
2,476 |
Çizelge 3. 28 günlük basınç ve çekme mukavemeti (MPa)
|
B40 |
B20 |
KYB50 KYB40 YDB50 |
|||
|
Basınç mukavemeti (MPa) |
45,8 |
27,4 |
57,1 |
43,9 |
55,4 |
|
Çekme mukavemeti (MPa) |
3,8 |
3 |
5,1 |
3,4 |
4,4 |
Kolonlar, kalıptan altıncı günde çıkarılmış ve 28'inci güne dek nem odasında bekletilmişlerdir. Her kolondan 13 numune elde edilecek ve donatılar numunelerin tam merkezinde olacak şekilde doğrama işlemi yapılmıştır (Şekil 2).
10 cm
15*
plastik
Şekil 2. Kolonlar doğrandıktan sonra numunelerin görünüşü
Daha sonra her numune 15 cm ve 5 cm (bu numune daha sonra korozyon ölçümleri için de kullanılmıştır) iki parçaya bölünmüştür (Şekil 3). Bu parçalardan ilki çekme deneyi için kullanılmış, diğeri video-mikroskop analizi için kullanılmıştır. Bu numunelerin yanı sıra, her donatı seviyesinde alınan karotlar, basınç mukavemeti, görünür özgül ağırlık ve su geçiren gözeneklilik ölçümleri için kullanılmıştır. Bu karotların çapı 3,5 cm, yüksekliği 5 cm'dir.
10 cm <->
60 cm
Şekil 3. iki parçaya bölündükten sonra : 15 cm'lik kısım pull-out test için, diğer kısım video-mikroskopta çelik-beton arayüzünün incelenmesi için.
2.1. Pull-out Test
Bu deneyler için sadece 5 cm aderans uzunluğu bırakılmıştır, aderans boyunu düşürmek için 10 cm'lik plastik kullanılmıştır (Şekil 4). Bu deneyler sırasında, donatı çubuğunun kayması ve uygulanan kuvvet grafik olarak elde edilmiş ve maksimum aderans gerilmesi hesaplanmıştır.
2.2. Video-mikroskop
Çelik-beton arayüzü bir video-mikroskop yardımıyla incelenmiştir. İki büyütme oranı kullanılmıştır: 25 defa ve 125 defa. İlk büyütme oranındaki inceleme genel görünüş için (iki fotoğraf birleştirilerek) kullanılmış, ikincisi ise arayüzü daha ayrıntılı inceleyebilmek için kullanılmıştır (donatı çubuğu tüm çevresinde herbir çelik-beton arayüzü için 20 fotoğraf).
Arayüz kusur bölgeleri beton ve çelik arasında ayrışmış olan bölgelerin uzunluğunun ölçülmesiyle sayısal olarak ifade edilmiştir (Şekil 4).
alt kısmındaki betonla temas etmeyen bölge ölçülerek sayısal olarak ifade edilmiştir.
3. SONUÇLAR
3.1. Görünür Özgül Ağırlığın ve Su Geçirir Gözenekliliğin Yükseklikle Değişimi
Şekil 5, görünür özgül ağırlığın, beş beton için, yükseklikle birlikte değişimini göstermektedir. 40 cm yükseklikten itibaren, görünür özgül ağırlık, beton türü ne olursa olsun, değişmemektedir. Buna karşılık, her kolonun alt kısmında (ilk 10 cm), betonun yoğunlaşması söz konusudur ki bu yoğunlaşma, betonun ağırlığı sonucu sıkışmaya bağlıdır.
2,5
E o
N
2,45 ^
2,4 2,35 -
2,3 -
2,25 2,2
2,15
-B20 -B40 -KYB40 -YDB50 -KYB50
0
50
100
Yükseklik (cm)
150
200
Şekil 5 : Kullanılan beş beton için, özgül ağırlığın yükseklikle değişimi 3.2. Basınç Mukavemetinin Yükseklikle Değişimi
Şekil 6, kullanılan beş beton için, basınç mukavemetinin yükseklikle değişimini göstermektedir. Genel olarak, basınç mukavemetinin, yükseklik arttıkça düştüğü gözlenmekle birlikte, bu düşüş azdır. Öte yandan, bu değerlerden genel bir davranış biçimi çıkarmak zordur. Bu durum karot boyutları ve beton dökme doğrultusuna dik olan karot alma doğrultusundan kaynaklanıyor olabilir.
90
80 A
70
"re" o.
E
> re
3
Ü)
re m
60
50
40 A
30 H
20 A
10
-A-B20
-B-B40 -0-KYB40 -*-YDB50 -♦-KYB50
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Yükseklik (cm)
Şekil 6 : Kullanılan beş beton için basınç mukavemetinin yükseklikle değişimi
0
Bu nedenle, basınç mukavemeti değerleri, aderans mukavemeti değerlerini düzeltmek amacıyla kullanılmayacaktır.
3.3. Çelik ve Beton Arasındaki Ayrışmanın Yükseklikle Değişimi
Video-mikroskopla incelenmiş, çelik-beton arayüz resimleri, arayüz kusurlarının (donatının alt kısmında kalan boşluk) yükseklikle arttığını göstermiştir (şekil 7). Bu kusurlar, arayüz boyunca, çelik ve betonun temasta olmadığı bölgeler ölçülerek, sayısal olarak ifade edilmiştir. Yazının devamında, kusur oranı ifade edilecek değer, kusur toplam uzunluğunun tüm arayüz çevresi uzunluğuna oranıdır. Önceki, beton cinsine göre pek değişmeyen basınç mukavemeti ve özgül ağırlık değerlerinin aksine, kusur oranı beton cinsine göre çok farklı davranışlar sergilemektedir. Sıradan betonlar (katkısız) kolonların en altından başlayıp, yukarı doğru hızla artan kusur oranı sergilemektedir. Aynı şekilde, düşük mukavemetli KYB için de arayüz kusurları görülmektedir.
1.2l
Kusur oranının yükseklikle birlikte artışı karışım suyunun artışıyla birlikte artmaktadır. Beton donatının altında çöker ve bu çökme donatı altındaki ayrışmaya sebep olmakta, terleme suyu da donatının altında birikip, boşluklara yol açmaktadır (Şekil 8).
3.4. Aderans gerilmesinin yükseklikle değişimi
Kullanılan beş beton için de, donatının altındaki beton derinliğinin artışıyla, aderans gerilmesi azalmaktadır (Şekil 9). Bu azalmanın miktarı, kusur oranı artışında olduğu gibi, kullanılan beton tipine çok bağlıdır.
"i? O.
18 16 14 12 10
8 6 4 2 0
20 40 60 80 100 120
Yükseklik (cm)
140
160
180
200
|
-âr- |
B20 |
|
-B— |
B40 |
|
-G- |
KYB40 |
|
YDB50 |
|
|
KYB50 |
Şekil 9. Test edilen beş beton için aderans mukavemetinin yükseklikle değişimi
a! E aı > ns
3
ut C
aı <
0
Aderans mukavemetinin, dikey beton kesitinin yüksekliğinin artmasıyla birlikte azalması, kenetlenme boyunda bir değişiklik yapılmasını gerektirmektedir. Aderans mukavemeti, artan yükseklikle aynı kalacak şekilde, kenetlenme boyu arttırılmalıdır. Kolonun en altındaki maksimum aderans mukavemeti değerinin diğer yüksekliklere oranıyla, kenetlenme boyu artışı belirlenir, buna düzeltme oranı denir. Bu düzeltme ACI 318 ve Eurocode'da yer almaktadır [11,12].
Şekil 10 düzeltme oranının, kullanılan beş beton için, yükseklikle artışını göstermektedir. Bu eğilim doğruları, su-çimento oranıyla birlikte artışın daha önemli hale geldiğini göstermektedir. Ama düşük mukavemetli KYB, B40'a göre daha yüksek su-çimento oranına sahip olmasına rağmen, düzeltme oranı daha az artmaktadır. Bu durum KYB40 üretiminde
kullanılan katkı maddeleri, kalker dolguya bağlıdır. Doğruların eğimlerini karşılaştırırsak: 0,53 S/B oranına sahip sıradan betonun düzeltme oranı, 0,6 S/B oranına sahip KYB40 1,91 kat fazla artmaktadır. Aynı betonun düzeltme oranı, 0,39 S/B oranlı betonlarla karşılaştırıldığında KYB50'ye göre 4,63 defa, YDB50'ye göre 6,77 defa daha fazla artmaktadır.
5 i
0,5 -
0 \-,-,-,-,-,-,-,-,-,-.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Yükseklik (cm)
Şekil 10. Kusur oranının donatı altındaki beton derinliğiyle değişimi
Donatı altındaki beton derinliğiyle, aderans mukavemetinin düşmesi, arayüz kusurlarının artması birbirleriyle iyi bir korelasyon içerisindedirler. Ama video-mikroskopla ölçülemeyen bazı arayüz kusurları, nervürsüz çeliğin aderans mukavemetini direkt olarak etkilemektedir. Bu durum korozyon incelemesinde göz önünde bulundurulacaktır.
4. SONUÇ
Bu çalışma, daha önce bazı betonarme yönetmeliklerinde dikkate alınan, donatı altındaki kusurların varlığını doğrulamıştır. Bu kusurların başlıca iki sonucu vardır.
İlk olarak, aderans mukavemetinde, donatı altındaki beton derinliğiyle birlikte azalma. Bu durumda kenetlenme uzunluğu arttırılmalıdır.
İkinci olarak, arayüz kusurlarının olduğu bölgelerde korozyonun artışı ki bu çalışmanın devamı olan diğer bir çalışmada incelenmiştir.
Klasik betonların akıcılığı arttığında, terlemeye eğilimleri de artmaktadır. Çünkü su miktarı ve su-çimento oranı artmaktadır. Süperakışkanlaştırıcı kullanımı, aynı su-çimento oranında akıcılığı arttırırken, terleme riskini de arttırmaktadır. Ama viskosite arttırıcı katkı maddesi de beraber katılırsa, terleme ortadan kalkmaktadır. Terlemeyi azaltmanın diğer yollarından biri mineral katkılar, özellikle de silis dumanı kullanmaktır. Bu araştırma da, B20 çok yüksek su-çimento oranına sahip, sıradan bir betondur ve terlemesi çok yüksektir. B40'ın S/Ç daha düşük ve terlemesi daha düşüktür. KYB40 daha yüksek S/Ç ile B40'dan daha az terlemeye uğramıştır. Burada özel karışım oranlarının ve kimyasal ve mineral katkıların önemi vardır.
Diğer betonlar, KYB50 ve YDB50, düşük S/Ç sahiptir, dolayısıyla terleme riskleri düşüktür. Ama süperakışkanlaştırıcılar ile bu düşük S/Ç ile çok akıcı olmuşlardır.
Kaynaklar
1. Khayat, K.H., "Use of Viscosity-Modifying Admixture to Reduce Top-Bar Effect of Anchored Bars Cast with Fluid Concrete", ACI Materials Journal, V.95, No.2, pp.158-167,
1998.
2. Trâgârdh, J., "Microstructural Features and Related Properties of Self-Compacting Concrete", Self-Compacting Concrete, Proceedings of the First International RILEM Symposium, Stockholm, pp. 175-186, September 13-14, 1999.
3. Welch, B.W., et Patten, J.F.B., "Bond Strength of Reinforcement Affected by Concrete Sedimentation", ACI Journal, Proceedings, pp. 251-263, 1965.
4. Sonebi, M., et Bartos P.J.M., "Hardened SCC and its Bond with Reinforcement", Self-
Compacting Concrete, Proceedings of the First International RILEM Symposium, Stockholm, pp. 275-289, September 13-14, 1999.
5. Ghio, V.A., et Monteiro, P.J.M., "Bond Strength of Reinforcing Bars in Reinforced Shotcrete", ACI Materials Journal, V.94, No.2, p.111-118, 1997.
6. Yonezawa, T., Ashworth, V., et Procter, R.P.M., "Pore Solution Composition and Chloride Effects on the Corrosion of Steel in Concrete", Corrosion Engineering, V.44, No.7, pp. 489499, 1988.
7. Mohammed, T.U., Otsuki, N., et Hisada, M., "Corrosion of Steel Bars with Respect to Orientation in Concrete", ACI Materials Journal, V.96, No.2, p.154-159, 1999.
8. Castel, A., François, R., Arliguie, G., "Factors other than chloride level influencing corrosion rate of reinforcement", Fifth CANMET/ACI International Conference on Durability of Concrete, Barcelona, pp. 629-644, June 4-9, 2000.
9. Trudel, A., Maniabilite, Uniformite et Comportement Structural du Beton Autonivelent â Haute Performance, Ms Thesis, Üniversite de Sherbrooke, Canada, 1996.
10. Khayat, K.H. et Yahia, A. "Effect of Welan Gum-High-Range Water Reducer Combinations on Rheology of Cement Grout", ACI Materials Journal, V.94, No.5, p.365-
372, 1997.
11. ACI 318, "Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-95) and Commentary (ACI 318R-95)", ACI Committee 318 Standard Building Code, American Concrete Institute, 1995.
12. Eurocode 2 : Design of concrete structures : Part I. General rules and rules for buildings,
2001.