Çimento Harcının ve Betonun Çökelme davranışını (slump) Akma Gerilmesi ile İlişkilendirmek Amacıyla Yapılan Ölçümler

Giriş

Beton, dünya genelinde tonaj bazında en çok üretilen insan yapımı malzemedir. Bu malzemelerin en önemli özelliklerinden biri, işlenebilirlik olarak adlandırılan özelliktir. İşlenebilirlik; taze (plastik kıvamda) beton karışımının, belirli bir kalıbı istenilen sıkıştırma yöntemiyle (örneğin vibrasyonla) düzgün şekilde doldurabilme yeteneği olarak tanımlanır. Bu işlem sırasında betonun kalitesinden ödün verilmemelidir.

İşlenebilirlik, başta şu faktörlere bağlıdır:

• Su içeriği

• Agrega şekli ve boyut dağılımı

• Çimento içeriği

• Yaş (hidratasyon seviyesi)

Ayrıca, kimyasal katkı maddeleri (örneğin süper akışkanlaştırıcılar) eklenerek ya da su miktarı artırılarak işlenebilirlik değiştirilebilir. Ancak aşırı su kullanımı, yüzeyde kanama (bleeding) oluşmasına veya segregasyona (çimento ve agregaların birbirinden ayrılması) neden olarak, betonun nihai kalitesini düşürür.

Şekil 1: Vane rotorlu HAAKE Viscotester iQ Reometre.

İşlenebilirlik, genellikle “beton çökelme (slump) testi” ile ölçülür. Bu yöntem, taze betonun plastik kıvamını basit şekilde değerlendiren bir testtir ve ASTM C143 veya EN 12350-2 standartlarına dayanır. Bu testte, Abrams konisi adı verilen özel bir koni, geniş ucu altta olacak şekilde düz ve su emmeyen bir yüzeye yerleştirilir. Koni, üç eşit hacimli katman hâlinde beton ile doldurulur ve her katman, çelik bir çubukla sıkıştırılır. Koni dikkatlice yukarı doğru çekildiğinde, içindeki beton yerçekimi etkisiyle belirli bir miktar çöker (slump oluşur).

Ancak geçmişte yapılan çalışmalar, akma gerilmesinin (yield stress) reolojik olarak belirlenmesinin, slump ile hızlı ve güvenilir şekilde ilişkilendirilebildiğini göstermiştir.

Bununla birlikte, beton gibi macun kıvamındaki numunelerin, geleneksel rotasyonel reometrelerde (paralel plakalı veya silindirik geometrilerle) test edilmesi zordur. Çünkü bu testlerde:

• Duvar kayması (wall slip) görülebilir,

• Numune, dar boşluklara yerleştirilirken fazla dağılabilir.

Bu nedenle, bu tür malzemeler için kanat (vane) geometrilerinin kullanımı önerilmektedir. Bir kanat rotor numunenin içine tamamen daldırıldığında, akma gerilmesi, Boger’in yaklaşımına göre hesaplanabilir:

Mmax maksimum tork (döndürme momenti) olmak üzere ve K ise kanat (vane) parametresi olmak üzere, bu parametre kanat geometrisinin yüksekliği (H) ve çapına (D) bağlıdır ve şu şekilde tanımlanır:

Malzemeler ve Metodlar

Tüm testler, evrensel numune kabı tutucusu ve FL16 vane rotor ile donatılmış Thermo Scientific™ HAAKE™ Viscotester™ iQ Reometre kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kullanılan FL16 rotor:

• 4 kanatlı,

• 16 mm çapında

• ve 8.8 mm kanat yüksekliğine sahiptir.

Standart bir Portland çimentosu, tipik oranlarda su ile karıştırılmış ve ardından üç farklı ağırlıkça (w/w) konsantrasyonda ince çakıl eklenmiştir.

Numune bileşimlerinin genel görünümü Tablo 1’de sunulmuştur.

Numune	Portland Çimentosu (g)	Su (g)	İnce Çakıl (g)
1	275	75	0
2	275	75	125
3	275	75	75

Tablo 1: Test edilen beton numunelerinin bileşimi.

Test Prosedürü

Numuneler homojen şekilde karıştırıldıktan sonra, 5 dakikalık bir bekleme süresinin ardından test edilmiştir. Test aşağıdaki şekilde gerçekleştirilmiştir:

Kanatlı rotor numuneye tamamen daldırıldıktan sonra, sabit bir dönme hızı (Ω = 0.05 rpm) uygulanmıştır. Bu sırada kesme gerilmesi (shear stress) ölçüm süresi boyunca izlenmiştir.

Sonuçlar ve Tartışma

Başlangıçta, numunede tamamen elastik bir yanıt gözlenmiş; ardından yapı çökerek kesme gerilmesi tekrar azalmaya başlamıştır. Kesme gerilmesinin ulaştığı maksimum değer, akma gerilmesi (yield stress) olarak kabul edilmiştir.

Şekil 2, karışımdan 5 dakika sonra, 25 °C’de alınan ölçüm sonuçlarını ve üç farklı formülasyona ait verileri göstermektedir.

Şekil 2: Karıştırma işleminden sonra 5 dakika bekleme süresinden sonra 25 °C’de üç farklı beton formülasyonu için zamana karşı kayma gerilmesi.

Görüldüğü üzere, saf çimento pastasının akma gerilmesi 375 Pa iken, 75 g ince çakıl içeren numunede bu değer 890 Pa’ya, 125 g ince çakıl içeren numunede ise 1630 Pa’ya yükselmiştir.

Bu şekilde kolaylıkla belirlenen akma gerilmesi değerleri, ASTM standardına göre Abrams konisi ile ölçülen slump (çökme) değerlerine (mm cinsinden) dönüştürülebilir. Bu dönüşüm, Hu ve arkadaşları (6) tarafından sunulan yarı-ampirik ilişkiye dayanmaktadır:

• s, çökme yüksekliğini (slump) milimetre (mm) cinsinden ifade eder,

• τ₀ (tau sıfır), akma gerilmesini (yield stress) temsil eder,

• ρ (rho) ise sıvının yoğunluğunu belirtir.

Sonuç

HAAKE Viscotester iQ Reometre üzerinde kullanılan kanatlı rotor (vane) yöntemi, çimento pastası ve betonun akma gerilmesini ölçmek için hızlı, basit ve doğru bir yaklaşımdır.

Elde edilen bu akma gerilmesi değerleri, yarı-ampirik ilişkiler yoluyla kolayca slump (çökme) değerlerine dönüştürülebilir.

Kaynak: ThermoFisher HAAKE.