Yüksek performanslı betonlarda erken yaş ısı gelişimi ve rötre
Early age heat development and shrinkage in high performance concrete
Yazar: ÖZLEM EZGİ DURAN
Danışman: PROF. DR. YILMAZ AKKAYA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton = Concrete ; Rötreler = Shrinkages ; Yüksek performanslı beton = High performance concrete

Özet:
Yüksek performanslı beton, uzun servis ömrü istenen özel yapılarda mineral katkıların ilavesiyle düşük su/çimento oranının elde edildiği ve kimyasal katkılarla işlenebilirliği artırılan, dayanımı yüksek bir betondur. Üretim sırasındaki yüksek maliyetine rağmen ileride uzun servis ömrü sayesinde daha ekonomik sonuçlar elde edilmektedir.
Tez çalışmasında yüksek performanslı betonların erken yaştaki ısı gelişimi ve erken yaş rötresi ele alınmıştır. Bu tür betonlarda erken yaş davranışının incelenmesi ve önceden tahmin edilebilmesi, ileri yaşlardaki dayanım ve dayanıklılığının öngörülebilmesi açısından önem taşımaktadır. Bu doğrultuda beton bileşenlerinin özelliklerinin erken yaş davranışına etkisi araştırılmıştır. Erken yaş rötre ve ısı gelişimi davranışının tahmin edilebilmesi için ek çalışmalar yapılmıştır. Rötre için genel bir fonksiyon denklemi bulmaya çalışılmıştır. Isı gelişimi için ise bir simülasyon çalışması yapılmıştır.
Betonun erken yaştaki ısı gelişiminin çimento hidratasyonu ile ilgisi olduğu bilinmektedir. Bu nedenle ekzotermik bir reaksiyon olan hidratasyonun nasıl ve ne hızda gerçekleştiği, bu reaksiyonun nelerden etkilendiği ve ortaya çıkardığı ısı miktarı araştırılmıştır. Hidratasyon mekanizması incelendiğinde, bir miktar çimento kimyasına da giriş yapılmaktadır. Burada çimentonun klinker yapısını oluşturan ana bileşenlerin hidratasyonda önemli bir rol oynadığı görülmektedir. Çimentodaki (C2S, C3S, C2A, C4AF) karmaoksitlerin bulunma miktarlarına göre çimentonun beton davranışı üzerindeki etkisi çeşitlenmektedir. Yüksek miktarda C3S ve C3A içeren çimentolu betonlarda daha yüksek ısı çıkışı olacağı bilinmektedir. Betonda erken yaşta oluşan bu yüksek ısının erken yaş çatlağına sebep olacağı tahmin edilmektedir. Yüksek ısının açığa çıktığı durumlarda hidratasyon reaksiyonunu yavaşlatmak için puzolanik katkıların eklenmesi de bir seçenektir. Genel olarak puzolanik katkıların ilavesi çimentonun hidratasyonu yavaşlatmakta ve ısıyı düşürmektedir. Ayrıca çimentoda boşlukları doldurucu etkisiyle su/çimento oranını düşürmekte ve betonun kalitesini artırmaktadır. Bu yüzden puzolanik katkılar yüksek performanslı betonlarda sık kullanılmaktadır. Bunun yanında su/çimento oranının düşmesi hidratasyon reaksiyonlarını azaltacağı için ısıyı da düşürmektedir.
Betonun ısı gelişiminde agrega varlığı da önemli bir etkendir. Beton içeriğindeki agreganın tane boyutunun artması ve agrega hacminin artması, çimento miktarını düşüreceği için su ihtiyacı da azalmaktadır. Bu da hidratasyon reaksiyonu oranını azaltarak betonda gelişen ısıyı düşürecektir. Bunun yanında agrega türüne göre değişkenlik gösteren su emmesi fazla agregaların iç yapıdaki mevcut suyu depolaması, çimentodan suyu uzaklaştırarak hidratasyonu azaltmaktadır. Genellikle priz süresi kısa olan betonlarda ise daha hızlı bir ısı gelişimi olduğu görülmektedir.
Çalışmada araştırılan bir diğer ana konu ise erken yaş rötresi ve erken yaş rötre özelinde de otojen rötredir. Düşük su/çimentolu betonlarda hidratasyon reaksiyonu sırasında su tüketildiği düşünülürse betondaki suyun azalmasının rötreye sebep olacağı tartışılmazdır. Bu durumda erken yaşlardaki rötre davranışının sebebini yakından incelemek ve başka nelerden etkilendiğini öğrenmek önemli olmaktadır. Erken yaşta sıklıkla kuruma, termal ve otojen rötre gözlenmektedir. Erken yaşlardaki otojen rötre kendiliğinden kuruma ve kimyasal rötrenin de bir toplamıdır. Çalışmada otojen rötre üzerinde durulmasının sebebi literatürde düşük su/çimento oranına sahip yüksek performanslı betonlardaki yüksek otojen rötrenin beton kalitesinin düşmesi üzerinden oluşturduğu kaygıdır. Erken yaşta meydana gelen yüksek otojen rötrenin çatlaklara sebep olacağı ve çatlakların ilerlemesi ile ileri yaşlarda durabilite bakımından zayıf bir beton elde edileceği düşünülmektedir. Bu durum ise yüksek performanslı betonların durabilite bakımından geleneksel betonlara karşı daha verimli olma iddiasını olumsuz yönde etkileyecektir. Bu nedenle çalışmada otojen rötre davranışına nelerin sebep olduğu ve erken yaş rötrelerle birlikte otojen rötrenin nelerden etkilendiği konusu üzerinde durulmuştur. Erken yaşta ısı gelişimini artıran hususların otojen rötreyi de doğru orantılı olarak artırdığını düşünmek doğru bir yaklaşımdır.
Toplamda sekiz deney betonu; s/b oranı 0.32-0.40 aralığında CEM I ve CEM III çimentolu, agrega tipi ve boyutu değişken malzemeleri içermektedir. Betonların taze haldeki özelliklerinin tespiti için taze beton deneyleri yapılmıştır. Taze beton deneylerinden çökme deneyi, yayılma tablası deneyi, birim ağırlık deneyi, hava içeriği deneyi ve priz süresinin tayini deneyleri uygulanmıştır. Deney betonlarının erken yaş ısı gelişimi için yarı adyabatik kalorimetre deneyi yapılmıştır. Erken yaş rötre için ise lvdt (doğrusal şekil değiştirme probu) yardımıyla ölçüm alınmıştır.
Betonların otojen rötresinin tahmini için bir model üzerinde çalışılmıştır. Literatürde de yer alan bu modelin yaklaşımı değerlendirilmiştir. Isı verileri ise hidratasyon tahmini için kullanılan genel hidratasyon modeli ile optimize edilmiştir. Değerlendirme ve yorumlar bu optimizasyon üzerinden gerçekleşmiştir. Betonların ısı gelişimini deney yapmadan tahmin edebilmek için ise bir simülasyon modeliyle hidratasyon davranışı taklit edilmeye çalışılmıştır. Bunu sağlamak amacıyla bilim insanları için oluşturulmuş sanal bir laboratuvarda VCCTL yazılımı ile mevcut malzemelerin kullanılabildiği bir ortamda simülasyon hazırlanmıştır. Bu yazılımın içindeki mevcut verilerin deney betonlarına benzemesi için yakın malzemeler seçilmiştir. Sonucunda simülasyon ve deney betonları kıyaslanmıştır. Mevcut deney betonlarının ısı gelişimi, bir simülasyon modeliyle yaklaşık tahmin edilebilirliğinin değerlendirmesi yapılmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre;
Deney betonlarının; çimento inceliği ve s/b oranı arttıkça hidratasyon ısısı ve ısı gelişim hızı artmaktadır. CEM III çimentolu betonların hidratasyonu ilk saatlerde daha hızlı ve yüksek ısılıdır. Maksimum agrega tane boyutu (Dmaks), agrega su emmesi arttıkça ve puzolanik katkıların eklenmesiyle hidratasyon ısısında düşüş gerçekleşmekte ve hidratasyon gecikmektedir.
Çimento inceliği ve hidratasyon ısısı artarken ve maksimum agrega tane boyutu (Dmaks), s/b oranı ve agrega su emme oranı azalırken otojen rötre yükselmektedir. Genel çıkarımları sağlamayan istisnalar mevcuttur. Deney betonlarının davranışındaki farklılıklar için mikroyapının incelenmesine ihtiyaç vardır.
Erken yaş rötreyi tahmin edebilmek için bir model üzerinde çalışıldığında rötre verilerine uygun bir yaklaşım yapılabilmiştir. Bu model ile su/çimento oranı,agrega/çimento oranı ve katkı miktarının etkisiyle otojen rötrenin artış veya azalışı tahmin edilebilmektedir.
Isı gelişimini tahmin edebilmek için VCCTL yazılımında bir simülasyon ile deney betonlarının hidratasyonu taklit edilmeye çalışılmış olup ilk 48 saatte oldukça iyi yaklaşım sağlanmıştır. Ancak ileri yaşlarda simülasyonun iyi çalıştığı söylenememektedir.

Abstract:
High-performance concrete is a high-strength concrete in which a low water/cement ratio is obtained with the addition of mineral additives in special structures where a long service life is required, and the workability is increased with chemical additives. Despite its high cost during production, more economical results are obtained thanks to its long service life in the future.
In the thesis study, early age heat development and early age shrinkage of high performance concretes are discussed. Examining and predicting the early age behavior in such concretes is important in terms of predicting the strength and durability at later ages. In this direction, the effect of the properties of concrete components on the early age behavior was investigated. Additional studies have been performed to predict early age shrinkage and heat development behavior. An attempt has been tried to find a general equation of function for the shrinkage. A simulation study has been performed for heat development.
It is known that early heat development of concrete is related to cement hydration. Therefore, how and at what rate hydration that is an exothermic reaction come true, what this reaction was affected and produced amount of heat were investigated. When the hydration mechanism is examined, cement chemistry is also introduced. Here, it is seen that the main components that make up the clinker structure of the cement play an important role in hydration. The effect of cement on concrete behavior varies according to the amount of oxide compositions of cement (C2S, C3S, C2A, C4AF). It is known that there will be higher heat output in concrete containing high amounts of C3S and C3A. It is estimated that this high temperature which occurs at an early age in concrete, will cause early age cracking. Adding pozzolanic additives is also an option to slow down the hydration reaction in situations where high heat is released. Generally, the addition of pozzolanic additives slows down the hydration of the cement and reduces heat of hydration. In addition, it reduces the water/cement ratio and increases the quality of concrete with its effect of filling the voids in cement. Therefore, pozzolanic additives are frequently used in high performance concrete. Besides the decrease in the water/cement ratio decreases the heat as it will reduce the hydration reactions.
The presence of aggregate is also an important factor in the heat development of concrete. As the maximum particle size of the aggregate in the concrete content and the aggregate volume increase, the amount of cement decreases, so the need for water also decreases. This will reduce the heat developed in the concrete by reducing the hydration reaction rate. In addition, storing the actual water in the internal structure of the aggregates with high water absorption reduce hydration by removing water from the cement. Generally, it is also a real seen that there is a faster heat development in concrete with a short setting time.
Another main subject investigated in the study is early age shrinkage and in particular autogenous shrinkage. Considering that water is consumed during the hydration reaction in concrete with low water/cement, it is inevitable that the decrease in water in the concrete will cause shrinkage. In this case, it is important to closely examine the cause of the shrinkage behavior at an early age and to learn what else is affected by it. Drying, thermal and autogenous shrinkage are frequently observed at an early age. Autogenous shrinkage at an early age is a combination of self-drying and chemical shrinkage. The reason for emphasizing autogenous shrinkage in the study is the concern in the literature that high autogenous shrinkage reduces the quality of concrete in high performance concrete with low water/cement ratio. It is thought that high autogenous shrinkage occurring at an early age will cause cracks and with the progression of cracks, a concrete with poor durability will be obtained in later ages. This situation will negatively affect the claim of high performance concrete to be more efficient in terms of durability compared to conventional concrete. For this reason, in this study, it is focused on what causes autogenous shrinkage behavior and what affects autogenous shrinkage. It is a correct approach to think that the factors that increase heat development at an early age also increase autogenous shrinkage in direct proportion.
Eight test concretes in total; it contains CEM I and CEM III cementitious materials with variable aggregate type and size in the range of 0.32-0.40 w/b ratio. Fresh concrete experiments were carried out to determine the fresh properties of the concrete. Among the fresh concrete tests; slump test, spreading table test, unit weight test, air content test and determination of setting time tests were applied. A semi-adiabatic calorimetry test was carried out for the early age heat development of the test concrete. For early age shrinkage, measurements were taken with the help of lvdt (linear strain probe).
For the estimation of autogenous shrinkage of concrete, a model which is also in the literature has been studied. The heat data is optimized with the general hydration model used for hydration prediction. Evaluation and comments were made on this optimization. In order to predict the heat development of concrete without experiment, the hydration behavior was tried to be imitated with a simulation model. For this, a simulation was prepared in a virtual laboratory created for scientists with VCCTL software. Similar materials have been selected so that the available data in this software is similar to the test concrete. As a result, simulation and test concrete were compared. The approximate predictability of the heat development of the existing test concrete with a simulation model was evaluated.
According to the results obtained;
As cement fineness, w/b ratio, aggregate water absorption, fresh concrete temperature and ambient temperature increase, hydration heat and heat development rate of test concretes increase. Hydration of CEM III cemented concrete is faster and at higher heat in the first hours. As the maximum aggregate particle size (Dmax) increases and the addition of pozzolanic additives, the heat of hydration decreases and hydration is delayed.
Autogenous shrinkage increases as cement fineness, heat of hydration, ambient temperature increase and maximum aggregate particle size, w/b ratio and aggregate water absorption rate decrease. There are exceptions that do not provide general findings. There is a need to examine the microstructure for the differences in the behavior of test concretes.
When working on a model to predict early age shrinkage, an appropriate approach could be made to the shrinkage data. With this model, the increase or decrease of autogenous shrinkage can be estimated with the effect of water/cement ratio, aggregate/cement ratio and additive amount.
In order to predict the heat development, the hydration of the test concretes was tried to be imitated with a simulation in the VCCTL software, and a good approach was obtained in the first 48 hours. However, it cannot be said that the simulation works well in later ages.