Normal portland çimentolu betonların don direncinin Taguchi Yöntemi ile optimizasyonu ve hasar analizi

Abstract

ÖZET Doktora Tezi NORMAL PORTLAND ÇİMENTOLU BETONLARIN DON DİRENCİNİN TAGUCHİ YÖNTEMİ İLE OPTİMİZASYONU VE HASAR ANALİZİ Remzi ŞAHİN Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Rüstem GÜL Ortak Danışman: Prof. Dr. M. Ali TAŞDEMİR Don etkisindeki betonun hasan oldukça kompleks bir olay olup hasara neden olan mekanizmaları açıklamak için çeşitli teoriler ileri sürülmüştür. Bu teoriler arasında en önemli olanları; i) kapiler boşluklardaki donma nedeniyle hidrolik basıncın yayılması, ii) donma başladıktan sonra j el suyunun kapiler boşluklara doğru hareketi, ii) ısıl etki gibi lokal genleşmelerin neden olduğu farklı şekil değiştirmeler ve iv) çözeltilerin kapiler boşluklardaki kısmî donmasından kaynaklanan osmotik basınçtır. Bu çalışmada farklı kompozisyonlara sahip betonların hem donma-çözülme (seri A) hem de donma- buz çözücü tuz (seri B) dirençleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Deneysel parametrelerin betonun don direnci üzerindeki etkileri Taguchi Yöntemi ile optimize edilmiş, oluşan iç hasar ise Hasar Mekaniğine dayalı olarak geliştirilen Skaler Hasar Değişkeni (D) ile analiz edilmiştir. Deneylerde seçilen parametreler; su-çimento oranı, çimento içeriği, hava sürükleyici katkı maddesi, kür şartlan ve ikinci mastarlama (yanlızca seri B için)'dır. Donma-çözülme etkisi ile betonda 100 çevrim boyunca oluşan hasar, boy ve ağırlık değişimi; donma-buz çözücü tuz etkisi ile 50 çevrim boyunca oluşan hasar ise görsel yöntem ve pullanma miktarı ile belirlenmiştir. Her iki seride de numunelerde oluşan iç hasar ultrases hızı (UPV) ile ölçülmüştür. Numunelerin boşluk yapısı Civalı Porozimetre, mikroyapısal analizler ise XRD, TG ve SEM ile yapılmıştır. Yapılan optimizasyon ve hasar analizinden sonra betonun don direncini etkileyen en önemli parametrenin, yeterli dozda olmak koşulu ile, hava sürükleyici katkı maddesi olduğu tesbit edilmiştir. Taze betona %4-6 arasında hava sürüklemek, betona yeterli don direnci vermiştir. Betonun donma-çözülme direncini en iyi boy değişimi, donma-buz çözücü tuz direncini ise birim alandan olan pullanma yansıtmıştır. Ayrıca, yüzey pürüzlülüğüne karşı duyarlı olmasına rağmen UPV ile toplanan veriler D ile analiz edilerek de betonun don direncininin belirlenebileceği sonucuna varılmıştır. Yeterli don direnci için D=0.40 değeri üst limit olarak alınabilir. Betonun don direncini belirlemek için ASTM standartlarının önerdikleri yöntemler çok şiddetli ve sübjektiftir. Bu nedenle bu konudaki standart geliştirme çalışmalarında CIF-Test prosedürü örnek alınmalıdır. Yapılan iç yapı çalışmalarında ise donma-çözülme etkisiyle betondaki boşluklarda gecikmiş etrenjit, donma-buz çözücü tuz etkisiyle ise etrenjitle beraber Kuzel tuzu (veya Friedel tuzu)'nun oluştuğu tesbit edilmiştir. Ancak, bu tür malzemeler için yanlızca XRD'den haraketle yapılan faz belirlemesi yanıltıcı olabileceğinden diğer enstrumental analiz yöntemleri ile de desteklenmelidir. 2003, 183 sayfa Anahtar Kelimeler: Beton, donma-çözülme, Taguchi Yöntemi, hasar değişkeni, XRD/TG/SEM

ABSTRACT Ph.D. Thesis OPTIMIZATION OF FROST RESISTANCE OF NORMAL PORTLAND CEMENT CONCRETE BY TAGUCHI METHOD AND DAMAGE ANALYSIS Remzi ŞAHİN Atatürk University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Civil Engineering Advisor: Prof. Dr. Rüstem GÜL Co-Advisor: Prof. Dr. M.AH TAŞDEMİR The deterioration of concrete under the action of freezing and thawing is very complex phenomenon and many theories have been presented to explain individual aspects of damaging effects. Among the most important mechanisms, which may lead to disintegration of concrete, are; i) generation of hydraulic pressure due to freezing in capillaries, ii) diffusion of gel water into capillaries followed by freezing, ii) differential strains due to localised and swelling as well as thermal strains, and iv) osmotic pressures resulting from partial freezing in capillaries of solutions with a local salt concentration. The present work submits a detailed investigation on the resistance of freeze-thaw (series A) and freeze-deicing salt (series B) of the concretes having different compositions. The effects of the experimental parameters on the frost resistance of concrete were optimised by Taguchi Method. The internal damage occured was analysed by scalar damage variable (D) based on Damage Mechanics. The parameters chosen in the experiments were water-cement ratio, cement content, air-entrainment admixture, curing conditions and different finishing procedure (only for series B). For freezing and thawing, the deterioration was determined for 100 cycles by length change and weight loss while for freezing and deicing salt it was determined for 50 cycles by visual inspection and surface scalling. For both series, the internal damage was measured by ultrasonic pulse velocity (UPV) tecnique. The pore structure of the samples was determined by Mercury Porosimetry, and the transitions in the microstructures were examined by XRD, TG and SEM. The optimisation and the damage analysis results showed that the most important parameter governing the frost resistance of the concrete was the air-entrainment admixture provided that it was employed in sufficient dosage, which corresponded to an air content with 4-6% of fresh concrete. The best methods for the determination of freeze-thaw and freeze-deicing s alt resistance were to measure the length change and to weight the scalling amount, respectively. Although the UPV is sensitive to surface roughness, it can be used to determine the internal damage. The data from UPV can be analysed by D. The value of D=0.40 can be taken as critical limit for frost resistance. Since the methods prepared by ASTM to determine the frost resistance of concrete are very severe and subjective, for standardisation studies, the CIF-Test procedure must be taken into consideration. It was determined that in microstructural analysis, delayed ettringite was formed in the cracks due to freezing and thawing effect and Kuzel's salt (or Friedel's salt) was formed accompanied by ettringite formation due to deicing salt effect. However, phase examination by only XRD is not enough for this kind of materials, and the examination must be supported by other instrumental methods. 2003, 183 pages Key words: Concrete, freezing and thawing, Taguchi Method, damage variable, XRD/TG/SEM ii