En büyük agrega boyutunun betonun kuruma rötresine etkisi
The effect of maximum aggregate size on concrete shrinkage
Yazar: ÇAĞIN SAĞLAM
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:
Beton, çeşitli dış etkenlere maruz kaldığında, özellikle sıcaklık değişimleri, rüzgar, düşük nem oranı ve çimento hidratasyonu gibi faktörler, beton yüzeyinde terleme oluşumuna neden olmaktadır. Bu terleme, betonun iç yapısındaki suyun yüzeye doğru hareket etmesi ve buharlaşması ile meydana gelir. Terleme süreci, betonun henüz taze olduğu ilk aşamalarda daha belirgin olmakla birlikte, suyun yüzeyde buharlaşması sonucu beton içerisinde içsel gerilimler oluşur. Bu gerilimler, betonun büzülmesi yani rötre olarak bilinen çatlakların ortaya çıkmasına yol açar.
Bu rötre çatlakları, betonun dayanımını etkiler ve zamanla betonun servis ömrünü azaltır. Çatlaklar, yapı malzemesinin bütünlüğünü bozar ve yapıya zarar verir. Bu durum, betonun mekanik özelliklerini ve dayanıklılığını olumsuz yönde etkileyerek yapısal zayıflıklara neden olur. Dolayısıyla, rötre oluşumu betonun performansını ve uzun vadeli sağlamlığını etkiler, bu da yapıya bakım veya onarım gerekliliğini doğurur.
Rötre çatlaklarının önlenmesi ve kontrol altına alınması, betonun performansını korumak ve uzun vadede yapının sürdürülebilirliğini sağlamak açısından büyük önem taşır. Rötreyi minimize etmek için beton karışımında kullanılan malzemelerin özellikleri, su/çimento oranı, agrega türü ve boyutu gibi faktörlerin dikkatle seçilmesi gerekmektedir. 
Betonun rötresini etkileyen faktörler arasında çimento hamurunun hacmi, ortamın koşulları, kullanılan çimento türü, kullanılan inert madde oranı, su/çimento oranı ve agrega özellikleri önemli bir yer tutar. Bu çalışmanın odak noktası, betonun bileşimindeki çimento miktarı, su/çimento oranı, agrega konsantrasyonu ve maksimum agrega çapı gibi parametrelerin betonun kuruma rötresi üzerindeki etkisini açıklamaktır.
Çimento miktarı, beton karışımındaki çimento yoğunluğunu belirlerken, su/çimento oranı suyun beton içindeki dağılımını ve betonun rötre oluşumunu etkiler. Agrega yoğunluğu ve en büyük agrega çapı ise betonun iç yapısını ve boşlukların büyüklüğünü belirleyerek rötre oluşumu üzerinde etkilidir.
Yapılan çalışma kapsamında agrega çapı 16 mm ve 32 mm olan iki farklı numune grubu hazırlanmıştır. Bu numune gruplarında su/çimento oranı 0.4 ve 0.5, agrega konsantrasyonu oranı 0.6 ve 0.7 ve kalker tozu oranı bağlayıcıya göre ağırlıkça 0.0, 0.05 ve 0.10 olacak şekilde karışım oranları hazırlanmıştır. Deneyler için her numuneden 3 adet üretilmiştir. Numuneler sabit nem oranı (%35 + 5) ve sabit sıcaklık (24 oC + 5) koşulları altında incelenmiştir. Bu koşullar altında toplamda 24 farklı beton karışımı üretilmiştir ve elde edilen numunelerin yarısında çapı maksimum 16 mm, diğer yarısında çapı maksimum 32 mm olan agregalar kullanılmıştır.
Hazırlanan bu numuneler üzerinde elastisite modülü, basınç dayanımı, boy ve ağırlık değişimleri ve kılcallık deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre, boy değişimi (rötre) deneyi için numuneler üzerinde 200 gün boyunca boy ölçümü deneyi yapılmıştır ve maksimum agrega çapının artmasıyla rötrenin azaldığı, su/çimento oranın artmasıyla rötrenin arttığı, agrega konsantrasyonun artmasıyla rötrenin azaldığı ve kalker tozu oranının artmasıyla rötrenin nispeten azaldığı sonuçlarına varılmıştır. Rötre üzerindeki en belirleyici faktörün maksimum agrega çapı ve agrega konsantrasyonu olduğu görülmüştür. 
Bu çalışmada, Amerikan Beton Enstitüsü (ACI), AASTHO (Amerikan Devlet Yolları ve Ulaşım Görevlileri Birliği) ve CEB-FIP (Avrupa Beton Birliği - Uluslararası Beton Birliği) gibi uluslararası yönetmeliklerde yer alan rötre hesap modelleri incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde ölçülen değerlere en yakın değerleri B4 Rötre Modeli vermiştir. B4 modelinin başarısının temel sebeplerinden biri, agrega çapını modelde hesaba katmasıdır. Diğer modeller, ölçülen rötre değerlerinden daha küçük sonuçlar vermiştir. ACI modeli, genellikle temel ve genel uygulamalar için geniş bir yaklaşım sunarken, CEB-FIB modeli, daha kapsamlı ve detaylı bir analiz sağlar. AASHTO modeli ise özellikle altyapı projeleri için özelleştirilmiş hesaplamalar sunar.

Abstract:
Concrete, when subjected to various environmental conditions, particularly temperature variations, wind, and low humidity, undergoes a process known as surface sweating due to cement hydration. This sweating results from water within the concrete migrating to the surface, where it eventually evaporates. The continuous evaporation and movement of water from the interior of the concrete create internal stresses, which ultimately lead to the development of shrinkage cracks. These cracks, commonly referred to as drying shrinkage cracks, have detrimental effects on the mechanical properties and durability of concrete, and over time, they compromise the structural integrity and service life of the concrete. 
The presence of shrinkage cracks in concrete affects its mechanical behavior in several ways. Firstly, cracks reduce the compressive and tensile strength of the concrete, making it more vulnerable to external forces and loads. Additionally, these cracks act as pathways for aggressive agents such as water, chlorides, and sulfates, which can penetrate the concrete and accelerate deterioration mechanisms such as corrosion of reinforcement and freeze-thaw damage. Over time, the cumulative effects of these processes degrade the overall structural performance, leading to higher maintenance costs and the need for repairs. Therefore, understanding and controlling the factors that contribute to shrinkage is critical to enhancing the long-term durability and sustainability of concrete structures.
Shrinkage in concrete is influenced by a variety of factors, including the volume of cement paste, environmental conditions, the type and amount of cement used, the water/cement ratio, the presence of inert materials, and the properties of the aggregates. This study focuses on investigating how variations in cement content, water/cement ratio, aggregate concentration, and maximum aggregate size affect the drying shrinkage behavior of concrete. The primary objective is to identify which of these parameters play the most significant role in controlling shrinkage and to propose methods for reducing shrinkage through optimized mix design.
The cement content in a concrete mix determines the overall paste density, which in turn affects the amount of shrinkage that occurs during hydration. A higher cement content generally leads to greater shrinkage due to the larger volume of paste that undergoes drying and contraction. The water/cement ratio is another critical factor, as it influences the distribution of water within the concrete matrix and the rate at which water evaporates from the surface. A higher water/cement ratio typically results in increased shrinkage because more free water is available to evaporate, leading to greater volume changes in the cement paste. 
The characteristics of the aggregates, including their concentration and size, also play a crucial role in controlling shrinkage. Aggregates serve as the skeleton of the concrete, providing stability and reducing the overall volume of cement paste. Higher aggregate concentrations lead to lower shrinkage by reducing the amount of paste that undergoes volume changes. Additionally, larger aggregates tend to restrain shrinkage more effectively than smaller ones, as they create a more stable internal structure that resists deformation. The use of supplementary materials such as limestone powder can further influence shrinkage behavior by modifying the microstructure of the cement paste and altering its drying characteristics.
In this study, two distinct sets of concrete samples were prepared with different maximum aggregate sizes, namely 16 mm and 32 mm. For each set, multiple mix designs were developed with varying water/cement ratios of 0.4 and 0.5, aggregate concentrations of 0.6 and 0.7, and limestone powder contents of 0%, 5%, and 10% by weight of the binder. For each mix design, three specimens were cast, and all samples were subjected to identical environmental conditions, with controlled temperature and humidity levels. Various properties were measured, including the modulus of elasticity, compressive strength, changes in length and weight, and capillary absorption. 
One of the key experiments conducted in this study was the shrinkage test, which measured the change in length (shrinkage) of the concrete specimens over a 200-day period. The results showed a clear trend: as the maximum aggregate size increased, the overall shrinkage of the concrete decreased. This is attributed to the fact that larger aggregates provide greater internal restraint against volume changes, reducing the magnitude of shrinkage. Conversely, increasing the water/cement ratio led to an increase in shrinkage, as expected, due to the greater availability of free water for evaporation. 
Additionally, the study found that as the aggregate concentration increased, the shrinkage decreased. This is consistent with the understanding that higher aggregate content reduces the volume of cement paste, which is the primary source of shrinkage in concrete. The incorporation of limestone powder also had a positive effect on reducing shrinkage, particularly at higher dosages. The results suggest that limestone powder may help to refine the pore structure of the cement paste, reducing water evaporation and mitigating shrinkage. However, the impact of limestone powder was found to be relatively minor compared to the effects of aggregate size and concentration. 
The findings of this research provide important insights for the design of concrete mixes that are more resistant to drying shrinkage. By optimizing the mix design parameters, such as using larger aggregates, increasing aggregate concentration, and adjusting the water/cement ratio, it is possible to significantly reduce shrinkage and improve the overall performance of concrete structures. The use of limestone powder as a supplementary material also offers potential benefits, particularly in reducing the environmental impact of concrete production by partially replacing cement. 
Furthermore, the study highlights the importance of considering the specific environmental conditions to which the concrete will be exposed. Shrinkage is a time-dependent phenomenon that is influenced not only by the initial mix design but also by the curing conditions, ambient temperature, and humidity levels. Proper curing practices, such as maintaining adequate moisture levels during the early stages of hydration, are essential to minimizing shrinkage and ensuring long-term durability. 

In conclusion, this study emphasizes the critical role that aggregate size and concentration play in controlling shrinkage in concrete. While the water/cement ratio and the use of supplementary materials such as limestone powder also influence shrinkage behavior, the most significant reductions in shrinkage can be achieved by optimizing the aggregate characteristics. These findings have important implications for the construction industry, particularly in the design of durable concrete structures that require minimal maintenance over their service life. Future research could explore the long-term effects of shrinkage on different types of concrete, as well as the potential for innovative materials and technologies to further mitigate shrinkage and enhance the sustainability of concrete construction.