Beton
İngilizce Beton kelimesinin İtalyanca karşılığı.s. calcestruzzo (m)
Beton çok yaygın olarak kullanılan bir yapı malzemesidir. Baraj, kanal gibi su yapıları yanında yol, bina, köprü ve diğer yapıların inşaatında kullanılır. Hem bir taşıyıcı eleman ve hem de dekoratif malzeme olarak ortaya çıkar. Yangına dayanıklılığı, su geçirmezliği ve ses yalıtımı bakımından da tercih edilir. Modern yapılarda nükleer radyasyona karşı da kullanılır. Hemen hemen her inşaat mühendisi tarafından tercih edilir. Dünya ortalaması olarak kişi başına senelik beton üretimi bir ton civarındadır. Bu miktar Türkiye’de ise l980 yılında yaklaşık 250 kilogramdı.
Tarihi gelişimi
Beton yaklaşık olarak değişik şekillerde ve genel manada 5000 yıldan beri kulanılmaktadır. Eski Mısırlılar kil harcını piramitlerin yapımında kulanmışlardır. Harç kireç taşının (CaCO3) ısıtılması ve karbondioksit gazının (CO2) çıkarılması ile elde edilmekteydi. Elde edilen kireç, agrega ile karıştırılarak harç olarak kulanılmaktaydı. Daha sonra CO2 olarak sertleşen orjinal CaCO3 veya kireç taşına çevrilmekteydi. Su ile sertleşen hidrolik çimentonun bulunuşu, Romalılara kadar uzanır. Romalılar kireç hamurunu, pozolanik volkanik küle karıştırmaktaydılar. Bu amorf silisten oluşan pozolan, suyun mevcudiyetinde alkali ile kimyasal olarak reaksiyona girerek silis jeli olarak sertleşir.Pozolan kelimesi, maddenin bulunduğu Pozzuoli isimli İtalyan kasabasından gelmekteydi. Bu konuda ilk patent İngiliz James Parker’e l796’da verilmiştir. l824’te de İngiliz duvarcısı Joseph Aspdin kireç taşını kille yakarak bir bağlayıcı madde, çimento elde etti. Portland Adasındaki kireç taşına benzediği için Portland çimentosu ismini verdi. Bugün günümüzde kullanılan modern portland çimentosu Aspdin’inkinin geliştirilmişidir. Günümüzde yıllık dünyada l00 milyona yakın portland çimentosu kulanılmaktadır.
Betonun bileşimi
Betonu teşkil eden en önemli madde, bağlayıcı olan çimentodur. Çimento, su ile kimyasal reaksiyona girerek agrega tanelerini bağlar. Agrega, betonun yaklaşık % 75’ini meydana getirir. Tane boyutuna bağlı olarak iri ve ince diye isimlendirilir. İri veya kaba agrega çoğu zaman taş ocaklarından kırma suretiyle elde edilebildiği gibi tabii olarak da bulunabilir. Dikkat edilecek husus, zararlı maddelerden temiz olmasıdır. Bu zararlı maddeler yumuşak taneler, kil, çözülebilir tuzlar ve organik maddeler olabilir. Kum veya ince agrega, silika veya kalker ihtiva eden tabii olarak parçlanmış malzemenin elenmesi ile elde edilebildiği gibi, kayalardan kırma ve öğütme suretiyle de elde edilebilir. Betonu teşkil eden diğer önemli bir madde de sudur. Suyun zararlı madde ihtiva etmemesi gerekir. Genellikle içilebilen su yeterlidir.Çimento, agrega ve sudan başka betona bazı katkı maddeleri de karıştırılabilir. Bunlar, su ilavesinden evvel veya sonra konulabilirler. Katkı maddeleriyle, betonun işlenebilme özelliği, dayanıklılığı, mukavemeti arttırabildiği gibi, sertleşmeyi geciktirebilir veya çabuklaştırabilir. Bunun yanında ısı genleşme ve geçirgenlik de beton katkı maddeleriyle kontrol edilebilir. Betonun içinde milyonlarca mikroskopik hava kabarcığı meydana getiren katkı maddeleri de mevcuttur. Karışımın su ihtiyacını azaltan katkı maddeleri, portland çimentosu taneciklerini elektrikle yükleyerek birbirlerinden ayırır ve daha homojen bir karışım meydana getirerek su ihtiyacını azaltırlar.
Beton üretimi
Beton için gerekli olan çimento ve agrega, ayrı sanayi dallarında hazırlanır. Son adım, karışımın hazırlanıp betonun kullanılması safhasıdır. Uygun karışım oranlarının seçilmesi; ekonomi, işlenebilme, mukavemet, dayanıklılık ve görünüş gibi özelliklerin dengeli elde edilmesini sağlar. Bunlar kullanıldığı yere göre değişir. Agreganın durumuna, çimento cinsine göre pekçok karışım oranı hesap metodu teklif edilmiştir. Karışım suyunun çimento miktarına oranı, betonun mukavemetine tesir eden en önemli bir etkendir. Diğer önemli bir etken de beton içindeki hava miktarıdır. Bu miktar normal betonda yaklaşık % 0,3-3 civarındadır. Bu iki tesir beton kalitesinin kontrolünde en önemli iki faktörü teşkil etmektedir. Ayrıca beton karışımın homojen olarak elde edilmesinde de önemlidir.Karıştırma işi, inşaat yerinde betoniyerlerle gerçekleştirilir. Bazı özel durumlarda karışım, küreklerle de yapılabilir. Genel olarak karışımı meydana getiren çimento torba, agrega ağırlık (veya bazı hallerde görünen hacim) ve su da hacim olarak ölçülür. Karışımı hazırlayan (veya hazır beton satan) merkezi kuruluşlar da mevcuttur. Buraya yapılacak istek karşılığında, kullanıma hazır, istenen kalitede karışım, inşaat yerine getirilir. Karışım, sabit karıştırıcılarda yapılabildiği gibi, hareketli karıştırıcılarda da gerçekleştirilebilir. Bu çeşit merkezi beton santrallerinin faydası, karışımın kontrollü olarak yapılmasıdır. Uygun kum ve çakıl bulunduğunda kolayca iyi kalitede beton elde edilebilir.
Tavsiye edilebilecek yaklaşık karışım oranı ağırlıkça 1 su, 2 çimento, 4 kum ve 5 çakıl şeklinde verilebilir.
Karışımın homojen bir şekilde elde edilmesinden sonraki yapılan iş, bunun yerleştirilmesidir. Eğer hazırlanan karışım döküm yerine yakın değilse bunun bu yere iletilmesi gerekir. Bu işlem araba ve kova veya pompa kullanılarak da gerçekleştirilebilir. Kalıba yerleştirilen karışımda bulunan hava kabarcıkları titreştirici kullanılarak çıkarılabilir ve betonun iyi yerleşmesi sağlanabilir. Küçük işlerde, şişleme de tatbik edilebilir. Titreştirme, dış merkezli bir kütlenin bir eksen etrafında döndürülmesi suretiyle elde edilir. Bu vibrasyon denilen titreştirme, beton içinde yapılabildiği gibi, kalıbın titreşimiyle de elde edilebilir.
Betonun elde edilmesinde en son adım, dökülmüş betonun bakımı ve sertleşmesidir. Sertleşme portland çimentosunun hidratasyonu, su ile kimyasal reaksiyona girmesi sonucu meydana gelir. İlk günlerde nemli şartların belirli süre devam ettirilmesi önemlidir. Bunun için betonun dış yüzü, su ile ıslatılabileceği gibi, nemli örtüler de kullanılabilir. Tam hidratasyonun elde edilmesi için çimento türü ve sıcaklığa bağlı olarak uzun bakım süresine ihtiyaç duyulabilir. Çoğu hallerde yedi gün kafidir. Genellikle betonun suyunun buharlaşması sonucu sertleştiği zannedilir. Gerçekten bu doğru değildir. Su olmaksızın ne hidratasyon ve ne de sertleşme olabilir. Su, çimentonun hidratasyonu sonucu kaybolur ve ancak fazla suyun buharlaşmasına müsaade edilebilir. Betonun geçirdiği devrelerdeki kimyasal reaksiyonlar oldukça karmaşıktır.
Özellikleri
İşlenebilirliği
Eğer, iletimi ve yerleştirilmesi sırasında homojen karışımı bozulmuyorsa, döküldüğü kalıbın şeklini alıyorsa ve dış yüzeyi düz teşkil edilebiliyorsa, bu çeşit betona “işlenebilir” denir. Bu özelliği en çok, betonun içinde bulunan su miktarına bağlıdır. Kalıp şekline ve kullanıldığı yapı elemanının özelliğine göre değişik derecede işlenebilirliğe sahip beton arzu edilir.Mukavemet
Beton, yapılarda basınç ve çekme gerilmelerine maruzdur. Yapılarda taşıyıcı malzeme olarak kullanılır. Her ne kadar pekçok faktör mukavemet üzerine etkili olursa da, en önemlisi su-çimento oranıdır. Oranının az olması yüksek kalitede betonun ortaya çıkmasını sağladığı gibi, betonun su geçirmez, aşınmaya ve çevre şartlarına dayanıklı olmasını sağlar. Su-çimento oranı düşük betonlarda mukavemet, ayrıca belirli miktarda pürüzlü yüzeyli kırma taşın agrega olarak kullanılmasıyla da artırılabilir.Dayanıklılık
Dış ve iç etkiler karşısında özelliklerini korumasına, betonun dayanıklılığı denir. Dış etkiler, donma, çözülme, zararlı su ve zemin etkileridir. Betonun boşluklarında bulunan suyun donması sonucu, hacmi % 9 oranında genişler. Bu genişleme sonucu, betonda meydana gelen çekme gerilmeleri betonun çatlamasına ve parçalanmasına sebeb olur. Betonun su emmesi az veya donan suyun genişlemesi için yeterli boşluk var ise don hasarı azalır. Betona zararlı iç etkiler ise, beton içindeki çimento, agrega ve su arasındaki kimyasal ve fiziko-kimyasal reaksiyonlardan kaynaklanır. Mesela, çimento içinde az miktarda bulunan alkaliler (K2O,Na20), agrega içindeki aktif silis veya karbonatla reaksiyona girerek çözünme ve şişme yoluyla hasara yol açarlar.Şişme ve büzülme
Betonun diğer bir özelliği nemle şişmesi ve kurumayla büzülmesidir. Şişme, nemin su ile kimyasal reaksiyona girmiş portland çimentosunun yapısına girmesi sonucu ortaya çıkar. Hidratasyona uğramış portland çimentosunun jel tanecikleri (küçük kristalleri) iğnecik ve pulcuklar şeklindedirler. Nemin girmesiyle pulcuk tabakaları birbirlerinden ayrılır ve şişme meydana gelir. Betonun kurumasıyla kasılma olur ve tabakalar daha sıkı hale gelir. Büzülmenin ortaya çıkmasının bir diğer sebebi de, portland çimentosu ile suyun reaksiyona girerek hidratasyon ilerledikçe suyun zamanla azalmasıdır. Başka bir deyişle dışarıdan su alamıyorsa, sertleşen çimento hamuru kendi kendini kurutur. Hidratasyon ısısının doğurduğu sıcaklık ısıtmasıyla da betonda büzülme ortaya çıkar. Dış katmanlarla beton kütlesinin içinde sıcaklıkların farklı olması nedeniyle betonda ince çatlaklar meydana gelir.Su geçirimlilik
Beton tamamen su geçirimsiz olmamasına rağmen, barajlarda, su depolarında ve diğer su ile ilgili yapılarda kullanılır. Bu, karma suyunun meydana getirdiği boşluklar sebebiyledir. Pek önemli sayılmayabilir. Fakat bu boşluklara giren suyun donma ve çözülmesi betonda hasar meydana getirir. Betonun geçirgen olması zararlı tuz ve asidlerin iç bünyeye nüfuz etmesini de kolaylaştırır. Ayrıca saf su, hidrate portland çimentosunun çözülebilir bileşenlerini ayrıştırır. Su geçirmezlilik, beton üretiminde kullanılan karma suyun miktarının yeterli derecede işlenebilmesini sağlamak şartıyla, en aza indirilmesi ile sağlanabilir. Bu gaye ile bazı katkı maddeleri de kullanılabilir.Birim ağırlık
Betonun birim ağırlığı, içine giren bileşenlerinkine ve yerleştirme derecesine bağlıdır. Atom reaktörlerinin inşasında birim ağırlığı 3,2 t/m3ü aşan beton kullanılır. Isı yalıtım gayesi ile de birim ağırlığı 400-800 kg/m3e inen hafif beton da elde edilir. Genel olarak 2,5 t/m3 arasındadır.Kimyasal mukavemet
Hidrate olmuş portland çimentosu, kimyasal olarak bir baz olması sebebiyle asitlerle reaksiyona girer ve ayrışır. Su-çimento oranı düşük olan ve yüksek birim ağırlıktaki betonlar kimyasal etkilere daha mukavimdir. Ayrıca, bazı çimentolar, bazı kimyasal etkilere daha dayanıklıdırlar.Yangına dayanıklılık: Hidrate olmuş portland çimentosunun bağlayıcı yapısı yaklaşık ll00°C’ye kadar korunduğundan, betonun yangına dayanıklı olduğu söylenebilir. Ancak 300°C’ sıcaklığın üstünde sıcaklığa maruz kalan betonlarda çatlaklar teşekkül ettiğinden, mukavemetinde önemli azalmalar meydana gelir.
Beton Yapı Türleri>Betonarme
: Genellikle betonun çekme mukavemeti basınç mukavemetinin % l0’u civarındadır. Pratikte bu, beton içine çelik çubuklar konularak telafi edilir. Böylece çekme gerilmeleri de alınır. Beton ile çelik sıcaklıkla aynı uzama katsayısına sahip olmaları ve aralarında çok iyi bir bağ kuvveti (aderans) bulunması sebebiyle ideal bir çift teşkil ederler. Beton kendini donatan çeliği yangına ve paslanmaya karşı korur. Genellikle çelik donatımı, betonun çekme gerilmesi ortaya çıkan kısımlarında kullanılır. Betonarmenin doğuşu, Fransız Joseph L .Lambot’un küçük bir betonarme kayık inşasına bağlanabilir. Ancak ilk pratik kullanımının l867’de Fransız Joseph Monier ile başlatıldığı söylenebilir. Betonarme inşaat günümüzde en yaygın olan inşa şeklidir.Öngerilmeli beton
Bunun temel prensibi betonu basınca, çeliği de çekme gerilmelerine maruz bırakmaktır. Çelikte meydana getirilen çekme gerilmeleri, betonda basınç gerilmeleri meydana getirir. Daha sonra betonda meydana gelecek çekme gerilmelerini de önceki basınçlarla dengelenmesi öngörülür. Böylece her tarafta basınca çalıştırılarak, beton kesitin bütününden yararlanılmış olunur. Betonun tamamen basınç gerilmelerine maruz olması, betondaki çatlamayı da en düşük düzeye indirir.Öngerilme iki maksatla tatbik edilir. Bir türü arzu edilen gerilme ve şekil değiştirmeleri meydana getirmek için, diğer türü de arzu edilmeyenleri dengelemek içindir. Bu çeşit yapı türü ile daha narin hafif beton yapılar yapmak mümkündür. Çeliğe öngerilme, beton dökümünden önce verilebileceği gibi, beton sertleştikten sonra da verilebilir. Birincisinde öngerilme kabloları gerilir, beton daha sonra dökülür ve sertleşmesi beklenir. Beton ve çeliğin arasındaki bağın tam olarak ortaya çıkmasından sonra, öngerilme kablosu kesilir. Diğer türde ise çelik için beton içinde boşluklar bırakılarak beton dökülür. Beton sertleştikten sonra çelik kablolar gerilir ve uçlarından betona bağlanır. Betonla çelik arasındaki ilişki, uçlarda olabildiği gibi, gerilmiş kablonun, betona boylu boyunca bağlanması yoluyla da sağlanabilir. Öngerilmenin doğuşu l886’da Amerikalı P.H. Jackson ile başlarsa da ilk uygulama l928’de Fransız Eugene Freyssinet tarafından yapılmıştır.
Betonarme kabuklar
Betonun en yeni kullanış sahalarından birisi de ince, eğrilikli sathi taşıyıcı sistemlerdir. Bunlar silindirik, hiperbolik, eliptik ve parabolik olabildiği gibi, çok karışık şekillerde de olabilir. Yük taşımasına en uygun örnek, bilinen yumurta kabuğunun düzgün yaylı yükü taşımaktaki özelliğidir. Bu çeşit yapı türünün ilk uygulayıcıları Alman Franz Dischinger ve Ulrich Finsterwalder’dir.Öndökülmüş beton
Çeşitli boy ve şekillerde hazırlanan önceden dökülmüş yapı elemanları, yapının kurulacağı yere taşınır ve birbirleri ile birleştirilerek inşaat yapılır. Beton borular bu metodla çoktan beri yapılan elemanlardır. Bunlar betonarme olabileceği gibi, öngerilmeli de olabilirler. Bu çeşit inşaatlar değişik tür agrega kullanılarak çeşitli şekil ve renkte yüzey elde edilebilir.Beton tuğlalar: Bunlar sert ve hafif yapı malzemeleridir. Yapılarda briket ismiyle kullanılırlar, boşlukludurlar.
