Kürün betonun kuruma etkisinde büzülme davranışına etkisi
The effect of curing on the shrinkage behavior of concrete
Yazar: UBEYDULLAH AYVAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Betonarme yapıların uzun hizmet süreleri boyunca maruz kaldığı içsel ve dışsal etkenler, yapıların hasar görmesine neden olabilir. Bu hasar mekanizmaları arasında, özellikle betonun erken yaşlarında sıkça karşılaşılan bir durum olan büzülme (rötre), çimento hidratasyonunda kullanılan su miktarının ve çevresel etkilerin neden olduğu su kaybından kaynaklanan hacimsel değişiklikleri içerir.
Su-çimento (S/C) oranı, çimento hamuru hacmi, agrega hacmi gibi bileşen parametreleri yanı sıra bağıl nem, sıcaklık, kür uygulaması gibi çevresel faktörler, büzülme üzerinde etkili olan kritik faktörlerdir. Bu bağlamda gerçekleştirilen çalışmada, kür uygulamasının, su-çimento oranının, agrega hacminin ve kalker tozu kullanımının büzülme üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. 
Çalışma kapsamında kullanılan beton karışımlarında su/çimento oranları 0.40 ve 0.50, agrega hacimleri %60 ve %70, kalker tozu ise hacimce %0, %5 ve %10 oranlarında değişiklik göstermiştir. Bu parametreler doğrultusunda toplamda 24 farklı beton karışımı üretilmiş ve elde edilen numunelerin yarısı kalıptan çıkarıldıktan sonra 7 gün süreyle su kürüne tabi tutulmuş, diğer yarısı ise sadece laboratuvar koşullarında açık havada bekletilmiştir. Numuneler üzerinde yapılan boy değişimi ölçümü, ağırlık kaybı ölçümü, elastisite modülü deneyi ve basınç dayanımı deneyi, kılcallık deneyi betonun mekanik ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkileri değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir.
Yapılan araştırmalar, uzun süreli kür uygulamasının betonun kuruma rötresini %10 ile %20 arasında azaltabileceğini ortaya koymuştur [1]. Bu bağlamda, kür uygulamasının özellikle betonun kuruma etkisinde rötre üzerinde önemli bir azaltıcı etkisi olduğu belirlenmiştir. 200 günlük ölçümler sonucunda, kür uygulanan numunelerin kür uygulanmayan numunelere göre yaklaşık olarak %20 daha az kuruma rötresi gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır.
Çalışmanın diğer sonuçlarına göre, ağırlık kaybının 200 gün boyunca devam ettiği ancak bu kaybın %50-%70'lik kısmının ilk 10 gün içerisinde gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Kür uygulanan numunelerde, kür uygulanmayan numunelere göre su kaybının daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. Benzer su/çimento oranlarına sahip numunelerde, agrega miktarının artmasıyla birlikte ağırlık kaybında azalma gözlemlenmiştir. 
Elastisite modülü ile rötre arasında ters orantılı bir ilişki olduğu belirlenmiştir.  Ayrıca, kür uygulanan numunelerin, kür uygulanmayanlara göre daha tutarlı ve lineer sonuçlar verdiği tespit edilmiştir.
Hamur fazına eklenen kalker miktarının artmasıyla elastisite modülünün arttığı ve rötrenin azaldığı gözlemlenmiştir. Ancak, bu değişimlerin oldukça düşük seviyelerde gerçekleşmesi nedeniyle, kalker tozu kullanımının elastisite modülü ve rötre üzerinde belirgin bir etkisi olmadığı anlaşılmaktadır.
Kalker tozu kullanımı basınç dayanımını düşürmekle beraber, poroziteyi arttırmakta ve hidratasyon ürünlerini azalmaktadır
Çimento hamuru ve/veya içerisindeki su miktarının artmasıyla birlikte rötre miktarında bir artış gözlemlenmektedir. Kür uygulamasının bu ilişkiyi etkilemediği, ancak nihai sonuçlarda daha az rötre oluşumunu sağladığı anlaşılmaktadır.
Agrega miktarındaki artışla birlikte, hem ağırlık değişiminde hem de nihai rötrede belirgin bir azalma kaydedilmiştir. 
Kılcallık katsayısının rötre ile doğru orantılı olduğu belirlenmiştir. Su miktarındaki artış, kılcallık katsayısını en fazla etkileyen faktörlerden biri olarak saptanmıştır. Betondaki agrega miktarının artışı, betonun hacimce daha fazla katı malzeme içermesine yol açmakta; bu durum, çimento hamurunun miktarını azaltarak kılcal boşlukların sayısını düşürmektedir. Kalker tozu kullanımı ise tüm değişkenler arasında en az etkiyi gösteren unsurdur. Kalker tozu, çimento hamurunun daha yoğun ve homojen bir mikroyapıya sahip olmasını sağlamakta; bu da kılcal boşlukların azalmasına ve dolayısıyla betonun kılcallığının düşmesine sebep olmaktadır.
Ağırlık değişimi arttıkça rötre miktarlarının arttığı gözlemlenmiştir. Rötre, betondaki nem kaybıyla doğru orantılıdır; dolayısıyla ağırlık kaybı ne kadar fazla olursa rötre miktarı da yüksek olacaktır.
Betonun dayanıklılığı ve uzun ömürlülüğü açısından rötrenin önceden tahmin edilmesi büyük önem taşımaktadır. Rötre, güvenlik, ekonomik ve estetik bakımdan kritik bir unsurdur ve çatlakların onarımı yüksek maliyetler gerektirmektedir. Bu nedenle, rötre tahmin modellemeleri mühendislerin uygun tasarım ve malzeme seçiminde yardımcı olarak yapısal güvenliği artırmakta ve ekonomik fayda sağlamaktadır. Bu alanda birçok çalışma gerçekleştirilmiş olup, tez kapsamında farklı rötre tahmin modelleri incelenmiştir. Bu modellerin sonuçları karşılaştırılarak, çeşitli tahmin yöntemlerinin doğrulukları değerlendirilmiş ve her bir modelin rötre tahminlerindeki hassasiyeti ve güvenilirliği ortaya konmuştur. Bu sayede, uygulama ile tasarım açısından en uygun yaklaşım belirlenmiştir.
Ölçülen rötre değerlerinin, uluslararası standart rötre modellerinin çoğunun tahminlerinin üzerinde olduğu belirlenmiştir. Ancak, modelleme sırasında daha fazla değişkeni dikkate alan Model B4 ve ACI modelleri, gerçek değerlere daha yakın tahminler sunmuştur.
Sonuç ve bulgular, betonarme yapıların tasarım kullanılan yapı malzemelerin seçimi ve uygulama yöntemlerinin büzülme etkilerini en aza indirmek amacıyla dikkate alınması gerektiğini vurgular niteliktedir.

Abstract:
The internal and external factors to which reinforced concrete structures are exposed over their long service lives can lead to damage. Among these damage mechanisms, shrinkage (also known as deformation) is a common phenomenon, especially in the early ages of concrete, and it involves volumetric changes resulting from the loss of water caused by the amount of water used in cement hydration and environmental influences.
Critical factors affecting shrinkage include component parameters such as the water-cement (W/C) ratio, the volume of cement paste, the volume of aggregate, as well as environmental factors like relative humidity, temperature, and curing practices. In this context, the study investigated in detail the effects of curing application, water-cement ratio, aggregate volume, and the use of limestone powder on shrinkage.
In the concrete mixes used in this study, the water-cement ratios varied at 0.40 and 0.50, aggregate volumes at 60% and 70%, and limestone powder at volumetric ratios of 0%, 5%, and 10%. A total of 24 different concrete mixtures were produced according to these parameters, and half of the obtained samples were subjected to water curing for 7 days after being removed from the mold, while the other half were left exposed to laboratory conditions. Measurements of dimensional changes, weight loss, modulus of elasticity, compressive strength, and capillarity were performed on the samples to evaluate their mechanical and physical properties.
The research revealed that long-term curing could reduce the drying shrinkage of concrete by between 10% and 20% [1]. In this context, it was determined that curing application has a significant reducing effect on shrinkage, particularly regarding the drying effect on concrete. As a result of 200 days of measurements, it was concluded that the samples subjected to curing exhibited approximately 20% less drying shrinkage compared to those that were not cured.
According to other findings of the study, weight loss continued for 200 days, with 50% to 70% of this loss occurring within the first 10 days. It was observed that the water loss in samples with curing was lower compared to those without curing. In samples with similar water-cement ratios, an increase in aggregate content resulted in a reduction in weight loss. In concrete specimens that are fully exposed to the air, the evaporation rate will be higher compared to those that have undergone curing. Consequently, the weight loss in the uncured specimens will be greater than that observed in the cured specimens.
A reverse proportional relationship between the modulus of elasticity and shrinkage was identified. As the modulus of elasticity of concrete decreases, it allows for a reduction in resistance to elastic deformation. Consequently, this leads to greater shrinkage and, thus, increased shrinkage due to internal stresses caused by water loss. Furthermore, it was determined that the samples with curing provided more consistent and linear results compared to those without curing.
With an increase in the amount of limestone added to the paste phase, an increase in the modulus of elasticity and a reduction in shrinkage were observed. However, due to the relatively low levels of these changes, it was concluded that the use of limestone powder does not have a significant effect on the modulus of elasticity and shrinkage.
The use of limestone powder reduces compressive strength, increases porosity, and decreases the production of hydration products.
An increase in the amount of cement paste and/or the amount of water contained within it was observed to result in an increase in the amount of shrinkage. It was understood that curing application does not affect this relationship but rather ensures a lower occurrence of shrinkage in the final results. With sufficient curing, the water within the concrete reacts with cement particles, promoting the formation of additional calcium silicate hydrate (CSH). This leads to a denser microstructure, fewer capillary voids, and a reduction in shrinkage. This relationship explains why the effect of water content on shrinkage diminishes when curing is applied.
With the increase in aggregate content, a significant reduction was recorded in both weight changes and final shrinkage. 
It was determined that the coefficient of capillarity is directly proportional to shrinkage. 
An increase in the amount of water was identified as one of the most influential factors affecting the coefficient of capillarity. A high water-cement ratio leads to a greater water content in the concrete mix. This excess water evaporates after the hydration process, creating capillary voids within the concrete. 
The increase in aggregate content in concrete leads to a greater volume of solid material, which reduces the amount of cement paste and decreases the number of capillary voids. It has been observed that the aggregate content has a more pronounced effect on shrinkage compared to the limestone content, but is less influential when compared to the water content.
The use of limestone powder showed the least effect among all variables. Limestone powder contributes to a denser and more homogeneous microstructure of the cement paste, which leads to a reduction in capillary voids and, consequently, a decrease in the capillarity of concrete.
As weight change increases, the amounts of shrinkage were observed to rise. Shrinkage is directly proportional to the moisture loss in concrete; therefore, the greater the weight loss, the higher the amount of shrinkage will be.
The ability to predict shrinkage in advance is crucial for the durability and longevity of concrete. Shrinkage is a critical element from safety, economic, and aesthetic perspectives, and the repair of cracks incurs high costs. For this reason, shrinkage prediction models assist engineers in making appropriate design and material choices, enhancing structural safety and providing economic benefits. Numerous studies have been conducted in this area, and various shrinkage prediction models have been examined in this thesis. By comparing the results of these models, the accuracies of various prediction methods have been evaluated, and the sensitivity and reliability of each model in shrinkage predictions have been revealed. This enables the determination of the most suitable approach in terms of application and design.
It has been established that the measured shrinkage values exceed the predictions of most international standard shrinkage models. The results show that ACI 209R-92 and B3&B4 models provide the most accurate results in shrinkage estimations compared to other models. The GL 2000 model, although a simpler and more direct approach, may not provide as much accuracy in shrinkage estimations as more complex models such as B4 [59]. These comparisons reveal that Model B4, ACI and GL2000 are the most suitable and accurate estimation models. Among these 3 models, Model B4 is seen to provide the best results. However, the more advanced approach, B4 model, although it shows improved accuracy for high-performance concretes, requires careful application due to its complexity.
The results and findings emphasize that the design of reinforced concrete structures, the selection of construction materials used and application methods should be taken into consideration in order to minimize the effects of shrinkage. It is seen that the effect of curing application on shrinkage behavior in drying is important. In addition, the amount of aggregate, water/cement ratio and the amount of cement paste in the matrix affect shrinkage to different degrees. Among the models used to predict shrinkage, models that take more variables into account have obtained more consistent results.