Farklı Tür Agrega İçeren Betonların Termo-Fiziksel Özellikleri

İnşaat mühendisliğinde, bir yapının ısıl konfor açısından tasarımında yapıdaki ısı transferinin önemli bir yeri vardır. Malzemedeki sıcaklık profilinin ve ısı akışının tahmin edilebilmesi için yapı malzemelerinin ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü gibi termo fiziksel özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir. Betonda agrega türünün termo-fiziksel özellikleri önemli ölçüde etkilediği bilinmektedir. Bu çalışmada kalker, silis ve ponza olmak üzere üç farklı agrega türü ile üretilen betonların ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü araştırılmıştır. Deney sonuçlarından betonun termo fiziksel özelliklerinin kullanılan agreganın türü, boşluk yapısı ve kristalinitesinden doğrudan etkilendiği görülmüştür.
Anahtar Kelimeler:
Beton, agrega, ısı iletim katsayısı, buhar difüzyon direnç faktörü.
1. Giriş
Beton yaygın olarak kullanılan bir yapı malze-mesi olup, genellikle Portland çimentosunun, kum, kırma taş ve su ile birlikte karıştırılmasıyla üretilir [1]. Betonun hacimce %60-80’i agregadan oluşur ve bu nedenle beton üretiminde kullanılan agrega türü betonun ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü gibi termo-fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkiler.
İnşaat mühendisliğinde bir yapının ısıl konfor açısından tasarımında, yapıdaki ısı transferinin önemli bir yeri vardır. Malzemedeki sıcaklık profili ve ısı akışının tahmininde yapı malzemelerinin ısı iletim katsayısı ve diğer ısı taşınım özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Agreganın türü, boşluk oranı ve nem içeriği betonun termo-fiziksel özelliklerine en çok etki eden faktörlerdir [2].
Yapı elemanını oluşturan malzemelerin ısı ve su buharı geçişine gösterdikleri dirence ve tabakaların sıralanışına bağlı olarak, su buharının yapı elemanından geçerken yoğuşma riski vardır. Yapı elemanında istenmeyen bu durum, binalarda ısı yalıtım kurallarının verildiği TS 825’e göre kontrol edilmektedir. Bu kontrolde, yapı elemanını oluşturan malzemelerin ısı iletim katsayıları ve su buharı geçişine gösterdikleri  direnç dikkate alınır [3]. Her yapı malzemesi için farklı değerde olan su buharı difüzyon direnç faktörü TS EN 12086’ya göre belirlenir [4]. Bu standarda göre belirlenen buhar difüzyon direnç faktörleri için hesap değerleri TS 825’te verilmiştir.
Isı iletim katsayısı bir malzeme özelliğidir ve ısı transferi hesaplarında önemli bir rol oynar. Gözenekli malzemelerde ısı transferi, katı fazdaki ısı iletimini, malzemenin boşluklarındaki ısı taşınımını, boşlukların katı yüzeylerindeki ışımayı ve boşluklardaki buharlaşma ve yoğuşmayı içerir [5]. Buhar sıcaklığı, doyma sıcaklığının altına düştüğünde yoğuşma meydana gelir. Bu durum genellikle buharın, doyma sıcaklığının altındaki bir yüzeyle teması halinde görülür [6].
Nem, yapı malzemelerinin performansını ve durabilitesini önemli ölçüde etkiler. Bu yüzden binanın servis ömrünü sınırlandıran en önemli faktörlerden birisidir. Ayrıca nem, görünümün değişmesine, metallerde korozyona, ahşapta çürümeye, iç veya dış duvar yüzeyindeki boyanın kabarmasına neden olabilir. Boşluklu yapıdaki malzemelerin ısı ve buhar taşınımının birlikte değerlendirilmesi bu malzemelerin performansını arttıracaktır [6,7].
Isı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü, binaların ısı tasarımında kullanılan iki ana parametredir. Betonun ısı iletim katsayısı ile ilgili birçok çalışma olmasına rağmen, buhar difüzyon direnç faktörü konusunda yeterli çalışma bulunmamaktadır. Bu makalede kalker, silis ve ponza olmak üzere 3 farklı agrega ile betonlar üretilerek, agrega türünün ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü üzerine etkileri araştırılmıştır.
2. Deneysel Çalışma
2.1. Malzemeler ve Numune Hazırlığı
Deneysel çalışma; beton üretimi, kürü ve kontrol deneylerinden oluşmaktadır. Portland çimentosu (CEM I 42,5 R), üç farklı tür agrega ve süper akışkanlaştırıcının kullanıldığı, C1, C2 ve C3 kodlu toplam üç seri beton üretilmiştir. C1 silis esaslı agrega kullanılarak, C2 kalker esaslı agrega kullanılarak ve C3 ponza kullanılarak üretilmiştir. Agregaların fiziksel özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Isı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörünün belirlenebilmesi için her beton serisinden sırasıyla 300x300x40 mm boyutlarında plak ve 100/40 mm boyutlarında silindir numuneler üretilmiştir. Numuneler 24 saat sonra kalıptan çıkarılmış ve deney gününe kadar 20±2°C sıcaklıktaki kür havuzunda bekletilmiştir. Beton serilerine ait karışım oranları ve taze beton özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.

2.2. Deneyler
Her seri için, taze betonda çökme ve yoğunluk, sertleşmiş betonda yoğunluk, basınç dayanımı, ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü tespit edilmiştir. Basınç dayanımı ve sertleşmiş beton yoğunluğu sırasıyla TS EN 12390-3 ve TS EN 12390-7’ye göre 100/200 mm silindir numunelerde belirlenmiştir. Isı iletim katsayısı, TS ISO 8302’ye göre mahfazalı sıcak plaka cihazı (Şekil 1) kullanılarak ölçülmüştür.
Buhar difüzyon direnç faktörü, TS EN 12086’ya göre belirlenmiş, bu deneyde numuneler buhar geçirimsiz, içinde kurutucu tuz içeren kap-lara (Şekil 2) yerleştirilmiş, ardından kaplar sabit sıcaklık ve nem altındaki iklimlendirme kabinine konulmuştur. Numuneden geçen buhar miktarını belirlemek için kaplar 24 saat aralıklarla tartılmış, tartma işlemi, numuneler değişmez ağırlığa gelinceye kadar devam etmiştir.
Sertleşmiş beton deneyleri 28. günde yapılmıştır. Buhar difüzyon ölçümleri beş numune, diğer ölçümler üç numune üzerinde gerçekleştirilmiş, ortalama değerler Tablo 3’te verilmiştir.

3. Deney Sonuçları ve Değerlendirme
3.1 Isı İletim Katsayısı
Betonların ısı iletim katsayıları 0.48-2.05 W/mK arasında değişmiştir (Tablo 3). En yüksek ısı iletim katsayısı 2.05 W/mK ile silis esaslı agreganın kullanıldığı C1 serisinde, en düşük değer ise 0.48 W/mK ile ponza kullanıldığı C3 serisinde gözlenmiştir. Doğal hafif agrega olan ponza normal agregayla kıyaslandığında, daha iyi bir ısı yalıtım özelliği göstermektedir [8] ve bu nedenle betonun ısıl özelliklerini iyileştirir. Kalker esaslı agrega ile üretilen C2 serisi betonların ısı iletim katsayısı C1 serisi ile kıyaslandığında, yakın değerlerde olmakla beraber, biraz azalarak 1.98 W/mK değerini almıştır. Isı iletim katsayısındaki bu azalma kalker esaslı agreganın silis esaslı agregaya göre daha düşük ısı iletim katsayısına sahip olması ile açıklanabilir [9]. Bunun sebebi silis esaslı agreganın kalker esaslı agregaya göre daha yüksek bir kristaliniteye sahip olmasıdır [10].
3.2. Buhar Difüzyon Direnç Faktörü
Beton serilerine ait buhar difüzyon direnç faktörü sonuçları Tablo 3’te verilmiştir. Tüm seriler arasında C2 serisi en yüksek buhar difüzyon direnç faktörü değerine (67) sahiptir. C1 ve C3 serilerinde ise buhar difüzyon direnç faktörü sırasıyla 35 ve 15’tir. Birçok araştırmacı tarafından belirtildiği üzere, betonun buhar geçirimliliği, boşluk oranı ve yoğunluğun bir fonksiyonudur. Boşluk oranındaki artış buhar geçirimliliğinin artması şeklinde kendini gösterir. Ancak buhar geçirimliliği, betonun yoğunluğu ile ters orantılıdır [11, 12]. Bu çalışmada, düşük yoğunluğu ve yüksek boşluk oranından dolayı C3 serisi betonların diğer serilere göre en düşük buhar difüzyon direnç faktörü değerine sahip olduğu görülmüştür. C1 ve C2 serileri dikkate alındığında, yoğunlukları birbirine yakın olmasına rağmen (sırasıyla 2371 ve 2334 kg/m3), C2 serisi betonların buhar difüzyon direnç faktörü C1’in yaklaşık iki katı kadardır. Ollivier vd. [13] tarafından bildirildiği üzere, agrega-çimento hamuru ara yüzeyi mikro yapısı, çimento hamurundaki kalsiyum alüminatlarla reaksiyona giren kalker esaslı agrega kullanılarak güçlendirilebilir. Ara yüzeydeki bu güçlü yapı buhar difüzyonunu engeller ve betonun buhar difüzyon direnç faktörünün artmasına neden olur [14].
4. Sonuçlar
Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir.
1. Farklı boşluk yapısına ve kristaliniteye sahip agregalar, betonun termo-fiziksel özelliklerine doğrudan etki etmektedir.
2. Ponza gibi gözenekli hafif agregalı betonların ısı iletim katsayısı, silis esaslı agrega gibi yüksek kristaliniteye sahip agrega ile üretilen betonların ısı iletim katsayısından daha düşük değerler almaktadır.
3. Bu çalışmada üretilen betonların buhar difüzyon direnç faktörü değerleri 15 – 67 gibi geniş bir aralıkta değişmektedir. Buhar difüzyonu ile agrega ve betonun boşluk yapısı arasında güçlü bir ilişki olsa da çimento hamuru agrega ara yüzeyi de bu özelliğe etki etmektedir. Silis ve kalker esaslı agregalı betonların yoğunlukları birbirine yakın olmasına rağmen, kalker esaslı agrega ile üretilen betonların buhar difüzyon direnç faktörü silis esaslı agrega ile üretilen betonların yaklaşık iki katı kadardır. Betonda kalker esaslı agreganın kullanılması çimento hamuru agrega ara yüzeyini güçlendirerek betonun buhar difüzyon direnç faktörünü arttırmıştır.
4. Binaların ısıl tasarımında ısı iletim katsayısı ve buhar difüzyon direnç faktörü gibi termo-fiziksel özelliklerin önemli bir yeri vardır. Farklı agregalarla üretilen betonların bu özelliklerinin bilinmesi, doğru bir ısıl tasarım yapılmasına yardımcı olacaktır.
Teşekkür
Bu araştırma Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yapı Malzemeleri Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Yazarlar bu çalışmayı destekleyen YTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü’ne ve TÜBİTAK’a teşekkür ederler.
Kaynaklar / References
 
[1] Mehta KP. Monteiro PJM. Concrete, microstructure, properties and materials. 3rd ed. Newyork: McGraw-Hill; 2006.
[2] Khan MI. Factors affecting the thermal properties of concrete and applicability of its prediction models, Build Environ 2002;37:607-14.
[3] TS 825 “Binalarda Isı Yalıtım Kuralları”, Mart 2008.
[4] TS EN 12086 “Isı Yalıtım Malzemeleri Binalar İçin Su buharı Geçirgenlik Özelliklerinin Tayini”, 2002.
[5] Bhattacharjee B, Krishnamoorthy S. Permeable porosity and thermal conductivity of construction materials. J Mater Civil Eng 2004; 16:322-30.
[6] Çengel Y. Heat and mass transfer a practical approach. Singapore: McGraw-Hill; 2006.
[7] Qin M, Belarbi R, Mokhtar AA, Nilsson LO. Coupled heat and moisture transfer in multilayer building materials. Constr Build Mater 2009;23:967-75.
[8] Neville AM. Properties of concrete. 4th ed. Newyork: Longman Scientific and Technical; 2000.
[9] Bazant ZP. Kaplan MF. Concrete at high temperatures. London: Longman Group Limited; 1996.
[10] Kodur VKR, Sultan MA. Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete. J Mater Civil Eng 2003; 15:101-7.
[11] Kabay N. The effect of pore structure on mechanical and physical properties of lightweight aggregate concrete. PhD Thesis, Yıldız Technical University, Istanbul; 2009.
[12] Kearsley EP, Wainwright PJ. Porosity and permeability of foamed concrete. Cem Concr Res 2001; 31:805-12.
[13] Ollivier JP, Maso JC, Bourdette B. Interfacial transition zone in concrete. Adv Cement Based Mater 1995; 2:30-8.
[14] Kızılkanat AB. Investigation of the relationship between compressive strength and color change of concrete subjected to high temperatures. PhD Thesis, Yıldız Technical University, Istanbul; 2010.