Beton basınç dayanımına boyut ve cidar etkisi
Size and wall effects on compressive strength of concretes
Yazar: ÖZGÜR ARARAT
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA HULUSİ ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çimento, su, agrega ile kimyasal ve/veya mineral katkı maddelerinin homojen olarak karıştırılmasından oluşan, başlangıçta plastik kıvamda olup şekil verilebilen, zamanla katılaşıp sertleşerek dayanım kazanan beton, kompozit ve yarı gevrek bir yapı malzemesidir. Yaygın kullanıma sahip bu malzemenin mekanik özelliklerinin başında basınç dayanımı gelmektedir.
Beton, gevrek bir yapıda olması nedeniyle basınç dayanımı yüksek, çekme dayanımı düşük bir malzemedir. Betonun basınç dayanımına nazaran oldukça küçük olan çekme dayanımı betonarme hesaplarda genellikle dikkate alınmaz. Bununla birlikte, basınç dayanımı ile eğilme dayanımı arasında yaklaşık da olsa bir oran bulunmaktadır. Bu nedenle, basınç dayanımı bilindiği takdirde, çekme ve eğilme dayanımlarının büyüklükleri hakkında da bilgi edinilebilmektedir.
Basınç dayanımı değerleri göz önünde bulundurulduğunda, bu yapı malzemesi normal dayanımlı ve yüksek dayanımlı olarak sınıflandırılabilmektedir. Normal dayanımlı betonlar, günümüzde en çok kullanılan genel amaçlı betonlardır. Yüksek dayanımlı betonlara göre çimento dozajları daha az ve kullanılan maksimum agrega boyutu daha büyük olan normal dayanımlı betonlar, nispeten daha düşük maliyette üretilebilmektedir.
Küp basınç dayanımı 60–115 N/mm2, silindir basınç dayanımı 50–100 N/mm2 arasında değişen betonlar, bugün için yüksek dayanımlı betonlar sınıfına girerler. Silis dumanı, yüksek dayanımlı çimento ve süper akışkanlaştırıcı katkı malzemelerinin kullanımı ile yüksek basınç dayanımlı betonlar üretilebilir.
Aynı geometrik şekle sahip numunelerde, boyut değişmesi durumunda basınç dayanımı değerlerinin önemli ölçüde değişiklik göstermesine boyut etkisi denilmektedir. Bu konuda yapılan deneysel çalışmalar değerlendirildiğinde, artan boyutlarda basınç dayanımlarının küçük boyutlu numunelere kıyasla belirgin şekilde düştüğü, belirli bir boyuttan sonra da basınç dayanımlarındaki düşmenin azaldığı gözlenmektedir. Beton literatüründe basınç dayanımının numune boyutuna bağlıolarak değişimi "boyut etkisi" olarak tanımlanmaktadır. Betonda boyut etkisi, büyüyen hacimle birlikte, heterojen bir malzeme olması nedeniyle kusurların da artmasına bağlanmaktadır.
Basınç dayanımına etki eden bir diğer faktör, betonun kalıp yüzeyi civarında iyi yerleşememeden kaynaklanan farklı bir bileşime sahip olması halidir. Bu durum,betonun dayanımının bu bölgede iç kısımdan daha farklı olmasına sebep olur. Kalıp yüzeyinde oluşan bu katmanın kalınlığı ortalama bir agrega boyutu kadardır. Boyutları küçük numunelerde, bu katmanın etkisi büyük numunelere oranla daha büyük olmaktadır. Çünkü bu katmanın kalınlığı numunenin boyutundan bağımsızdır. Bu duruma cidar etkisi denir.
Bu tez çalışması, beton bloklardan kesme yoluyla elde edilen küp biçimindeki numunelerde cidar etkisinin azalacağı ve böylece boyut etkisinin tek başına değerlendirilebileceği varsayımına dayanmaktadır. Tez kapsamında ayrıca, beton bloklardan kesilerek çıkartılan numunelerdeki, kesilme yöntemine bağlı olarak oluşan tahribatların beton basınç dayanımına olan etkisi de araştırılmıştır.
Çalışma kapsamında, ilk aşamada, iki farklı beton sınıfı kullanılarak değişik ölçülerde altı farklı numune oluşturulmuştur. Birinci beton sınıfı yüksek dayanımlı, ikinci beton sınıfı normal dayanımlı olarak düşünülmüştür. Birinci beton sınıfında maksimum agrega boyutu 12 mm ve ikinci beton sınıfında 22 mm olarak kullanılmıştır. Bunun yanında, birinci beton sınıfı C50, ikinci beton sınıfı C20 olarak tasarlanmıştır. Yüksek dayanımı temsil eden birinci beton sınıfındaki çimento miktarı 450 kg/m3'tür. Diğer taraftan, normal dayanımı temsil eden ikinci beton sınıfındaki çimento miktarı 250 kg/m3'tür. Hedeflenen dayanımın elde edilebilmesi için yüksek dayanımlı birinci beton sınıfına çimento miktarının %5'i oranında silis dumanı ilave edilmiştir. Sonuç olarak bu iki beton sınıfının su/bağlayıcı oranı normal dayanım için 0,72, yüksek dayanım için 0,33 olarak elde edilmiştir. Numuneler için değişik ölçülerde playwood kalıplar hazırlanmıştır. Kalıplara dökülen beton yedi gün boyunca üzeri sulanarak sürekli nemli kalması sağlanan çuvallarda saklanmıştır. Sonraki aşamada beton kalıpların muhafaza edildiği çuvallar güneş görmeyen bir
bölümde otuz gün boyunca bekletilmiştir. Hazır duruma gelen beton kalıplar sulu kesim mermer kesme makineleri ile farklı boyutlarda kesilmiştir. Kesim işlemi sırasında oluşan tahribatların beton basınç dayanımı üzerindeki etkisini inceleyebilmek için ise 50 mm boyutlu numuneler hem mermer kesme makinesiyle kesilerek hem de tahribatı minimum düzeye indiren su jeti ile kesilerek hazırlanmış ve bu farklı numunelerin karşılaştırmalı analizi gerçekleştirilmiştir.
Beton, homojen yapıya sahip olmayan kompozit bir malzeme olması sebebiyle içerisinde birçok kusur bulundurabilir. Doğal taşlar da beton malzemesi gibi heterojen yapıdadır. Doğal taşların heterojenliği, kaya içerisindeki farklı mineral bileşenlerinin artması, azalması ve minerallerin boyutlarının değişmesi ile açıklanabilir. Fakat doğal taşların heterojen yapısı betonun yapısı ile kıyaslanamayacak kadar düzenlidir. Bunun en önemli nedeni doğal taşların oluşumunda cidar etkisine maruz kalmamasıdır. Aynı kaya üzerinden alınan farklı numunelerde birbirine yakın sonuçlar elde etmek oldukça olasıdır. Fakat aynı kaya türü için farklı kayalardan alınan numunelerde, doğal taşların heterojen yapısından dolayı benzer sonuçları elde etmek bir o kadar zor olmaktadır. Bu nedenle bu tez kapsamında ayrıca, daha önce yapılmış bir çalışma olan doğal taşların basınç dayanımında boyut etkisi de irdelenmiştir.
Bu tez çalışması, hazırlanan numunelerdeki kusurların yapılan deneyler esnasında basınç dayanımına etkisi hakkında birçok veri sunmaktadır. Aynı zamanda, beton numunelerin hazırlanması sırasında uygulanan kesme işleminin doğurduğu hasarın basınç dayanımına etkisi de ele alınmıştır ki bu konu ile betondan alınan karot numunelerin değerlendirilmesinde karşılaşılmaktadır.

Abstract:
Concrete is a widely used construction material that is obtained by mixing cement, water, aggregates and chemical or mineral additive materials up homogeneously. Cement mainly contains chalk and clay which are common in nature. Still actively referred TS - EN - 197-1 standard categorizes twenty seven different cements into five main types such as CEM I (Portland Cement), CEM II (Portland-Composed Cement), CEM III (Slaggy Cement), CEM IV (Pozzolana Cement) and CEM V (Composed Cement).
What is more, aggregates are classified in two groups which are natural aggregates and synthetic aggregates. Natural aggregates are produced using none of the synthetic manufacturing methods except the mechanical processes (e.g. sand, gravel and crushed sand and stone obtained by cutting rocks in crushing machines). Water for concrete production, on the other hand, can be obtained via any drinkable water source that is appropriate for TS-EN-1008 standard without necessitating any additional test method.
Mineral additives used in concrete production can be defined as supplementary materials mixed into concrete mixture with relatively low ratios with respect to cement content to change its fresh and hardened properties. Furthermore chemical admixtures also can be used in concrete production to obtain better fresh and hardened concrete properties.
Concrete obtained through mix of aforementioned materials hardens as time passes while it has great plasticity in the initial a few hours, which provides this commonly used construction material flexible usage conditions. Concrete is a composite material which has semi-brittle structure. One of the main properties of this important material is compressive strength.
Since it has a semi-brittle structure, compressive strength of the concrete is much higher than its tensile strength. Hence, tensile strength of concrete is generally not taken into account in reinforced concrete engineering calculations. On the other
hand, there is an approximate relationship between the compressive strength of concrete and its tensile and flexural strengths. For this reason, it is possible to estimate tensile and flexural strengths of a specific concrete if its compressive strength is available.
Regarding compressive strength values, concretes can be categorized as normal strength concrete and high strength concrete. Normal strength concretes are most widely used general purpose construction materials nowadays. Their cement contentis relatively low with respect to high strength concretes. Additionally, aggregates used in normal strength concretes have greater radiuses than aggregates used in highstrength concretes. Nevertheless, production costs of normal strength concretes are much lower than production costs of high strength concretes.
Concretes having cubic compressive strength changes between 60 and 115 N/mm2 and cylindrical compressive strength stays between 50 and 100 N/mm2 can be classified as high strength concrete considering strength values of other materials used nowadays. Silica fume, high strength cement and superplasticizer materials can be used in production of high strength concretes.
Test samples in different sizes reflect different compressive strength properties even they have same geometrical shapes. This fact is called as size effect on compressive strength of concretes. Experimental studies show that compressive strength of larger specimens are lower than the specimens having same geometrical shapes with smaller sizes. These studies also claim that recession in compressive strength of concrete as the size increases falls into relatively slight values above the specific dimensions. Concrete literature entitle this effect as "size effect". Size effect is due to the increased possibility of containing defects in the material when the size increases.
The other factor affecting the compressive strength is due to the improper compacting of concrete in the vicinity of walls of a mold. This causes the edge part of specimens to have a different type of concrete comparing with the interior parts. The thickness of this layer took place on the mold-interacted surfaces is approximately a maximum aggregate size. For the small size specimens the effect of this layer on the strength properties is higher than those of the larger ones, because the thickness of this layer is not related to the size of the specimen. This phenomena is known as "wall effect".
This thesis presents the effects of the physical dimensions and the mold interacted surface qualities of the cubic shape concrete test specimens, which are obtained via cutting of concrete blocks, on the compressive strength of the concrete itself. Furthermore, influences of the defects, occurred during the cutting process, on the compressive strength of the concrete are also investigated in the scope of the thesis. 
Six different test samples are prepared using two different types of concrete at the first stage of the study. First type of concrete represents the high-strength concrete where the second type of concrete stands for the normal-strength concrete. Maximum radius of the aggregates used in the preparation of the first type of concrete is 12 mm while it is 22 mm for the second type of concrete. Moreover, first type of concrete is in C50 concrete strength class and the second type of concrete is in C20 concrete grade. Content of cement in the first type of concrete, representing high strength concrete, was 450 kg/m3 where it was only 250 kg/m3 in the second type of concrete. Silica fume, %5 of the cement content, is added into the high strength concrete in order to obtain desired compressive strength in the first type of concrete. Consequently, water/binder ratio in the first type of concrete was 0,33 while this ratio was 0,72 in the second type of concrete. Plywood molds were prepared in different sizes for the test specimens. Molded concrete blocks are preserved under wet burlaps which are kept moisturized by irrigation for seven days. Afterwards, the blocks were held in a sunless environment for thirty days. Ready to use concrete blocks are cut with water cooled marble cutting machines into different sizes. To be able to investigate effects of damage occurred due to cutting process on compressive strength of concrete, test samples 50 mm were prepared using both marble cutting machine and a water jet which minimizes the damages. Finally, comparison study is conducted to expose influence of cutting methods.
Concrete might have many defects inside since it is a composite material not having homogenous structure. Hence, it is a fair assumption that we would have defects inside the test samples we prepare during and before the experiments in the scope of this thesis. Natural stones have also heterogeneous structures as concretes. Heterogeneity of natural stones comes from increase or decrease in amount of different mineral components inside the stone or change in dimensions of these components. On the other hand, heterogeneous structure of natural stones are much ordered than structure of concrete. Most important reason for this fact is that natural stoned are not exposed to wall effect during formation phase. Most probably, different test samples taken from same stone give very close results to each other. However, it is not reasonable to come a same conclusion for different specimens taken from different stones belong to same stone family. In this context, subjected thesis also investigates size effects on compressive strength of natural stones which was found in the literature.
This thesis presents highly valuable data that show how much defects in prepared test samples during experiments affect compressive strength of concretes as well as the effects of cutting process applied during the preparation of specimens, which is an important issue in the coring of concrete.