Tünellerde püskürtme beton uygulamarının erken yaş dayanımının incelenmesi

Bu tez çalışması erken yaş püskürtme betonun dayanım karakteristiğini daha iyi anlamak ve Yeni Avusturya Tünel Açma Yöntemi (NATM) yöntemi uygulanan tünellerde püskürtme beton atıldıktan sonra kazı işlerine en uygun zamanda tekrardan başlanabilmesini sayısal destek verilerine dayanarak belirlemek için hazırlanmıştır. 1962 yılında Rabcewicz tarafından önerilen NATM, modern tünelcilik işlerinin en önemli ve en çok kullanılan yöntemi olagelmiştir. Bir tüneli çevreleyen kaya ve zemin oluşumlarının "kendi kendisini taşımasına yardımcı olma prensibi" olarak özetlenebilecek olan bu yöntem, kayaç kütlesinin belirli bir miktar yer değiştirmesine izin verilmesi ile gerçekleşmektedir. Kazı sonrası birincil destek elemanları aracılığı ile kaya kütlesi denge durumuna getirilmekte ve böylelikle bir sonraki kazı aşamasına hızlı bir şekilde geçilebilmesi sağlanmaktadır. Birincil destek elemanlarında püskürtme betonun istenilen dayanımı hızlı bir şekilde kazanması bu noktada önemli bir rol oynamakta ve gelişim sürecinin belirlenebilmesi, kazı işlerinin devamlılığı için zorunlu bir hal almaktadır. Daha sonra ikincil destek elemanları ile güçlendirilen tünele son şekli verilir. Yöntemin esnek olarak uygulanabilirliği, çeşitli formasyonlara uyum sağlaması, ekonomik ve güvenli olması tercih edilmesinde önemli etkenlerdir. Püskürtme beton; agrega, çimento ve su karışımından oluşan harcın, basınçlı hava yardımıyla yüksek hızla kazı alanına püskürtülmesi olarak tanımlanır. 20. yüzyılın başında sanayi devrimi ile beton ve betonarme inşa yöntemlerine artan ilgi sonucunda fabrikasyon işler için geliştirilen püskürme beton, ilk önceleri "kuru" adı verilen sistem şeklinde uygulanmıştır. 1970'li yıllarda "yaş" adı verilen sisteme geçiş yapılmış fakat yüksek su/çimento kullanımından kaynaklı dayanım dalgalanmaları yaşanmış, sonrasında çeşitli katkıların kullanımı ile yüksek dayanım sağlanmış ve bu sistemin kullanımı yaygınlaşmıştır. Standart betona göre kalıp gerektirmeden kolayca uygulanabilmesi, çelik hasırlarla birlikte kaya parçalarını birlikte tutarak deformasyonu sınırlandırması, çatlak ve kırıklar arasına girerek kaya yapısını güçlendirmesi, priz hızlandırıcı katkılar yardımıyla taşıyıcılık görevini hemen yerine getirmeye başlaması gibi avantajları nedeniyle yeraltı mühendislik yapılarında vazgeçilmez hale gelmiştir. Püskürtme beton yapısı gereği zamanla priz alan başka bir deyişle dayanımı artan bir malzemedir. Tünellerde uygulandıktan sonra belli bir dayanıma erişene kadar püskürtme yapılan alanların altına girilerek çalışılmasına güvenlik koşulları dolayısıyla izin verilememektedir. Tünelin her ilerleme döngüsü boyunca aynı püskürtme işlemi tekrarlanmakta ve belirli bir zaman priz alana kadar tünel altına girilememekte ve döngü halinde ardı sıra takip eden işlere geçilememektedir. Bu yüzden püskürtme beton uygulma işleminin zamana bağlı optimizasyonunu sağlamak amacıyla dayanım değişim dağılımının ortaya koyulması ve sayısal veri oluşturularak çalışmaya başlama kararı verme mekanizmasında kullanılabilir olması gerekmektedir. Bunun için de mevcut standartlara bağlı olarak bir erken dayanım değişim sürecinin ortaya koyulması lazımdır. Uluslararası standart enstitüleri (ASTM, EFNARC vb.) püskürtme beton dayanım özelliklerinin belirlenmesi için çeşitli standartlar geliştirilmiştir. Bu standartlar püskürtme betonu oluşturan materyallerin boyları ve miktarlarını, püskürtme beton karışımlarından numune alımını ve püskürtme beton örnekleri üzerinde yapılabilen çeşitli deneyleri kapsamaktadır. ASTM'nin dışında EN, EFNARC, ACI, DIN ve TS'nin de püskürtme beton ve püskürtme betonun erken yaş basma dayanımını tespiti için çeşitli standartları bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında alınan örnek ve yapılan deneyler ASTM standartlarına (C403/C403M – 99, C805/C805M, ASTM C805 / C805M - 13a, C39/C39M − 17b, C172/C172M − 14a, C470/C470M – 15, C31/C31M – 17, C42/C42M – 16, ASTM C617/C617M – 15) uygun olarak yapılmıştır. Tez çalışması literatür araştırması, arazi ve laboratuvar çalışması ve verilerin analizi olarak 3 bölüme ayrılmıştır. Deneyler için İstanbul'da yapımı devam ederken Bostancı-Dudullu metrosunun İçerenköy şaftından ve Ağva-Şile karayolu tünellerinden numuneler alınmış ve bu numuneler sırasıyla A ve B olarak isimlendirilmiştir. Proktor penetrometresi ve Schmidt çekici deneylerinde kullanılmak üzere iki ayrı 30x30x15 cm boyutunda ahşap numune kalıpları hazırlanmıştır. İçerenköy şaftı ve Ağva-Şile tüneli püskürtme beton tabancasından alınan % 4 ve %5 hızlandırıcı katkılı numuneler kullanılmıştır. Tek eksenli basma dayanımı deneyleri için, püskürtme beton mikserinden hızlandırıcı katkısız olarak daha önceden hazırlanmış olan plastik kalıplara silindirik numuneler alınmıştır. İçerenköy şaftından alınan numunelerin sıkılaşması için çelik çubuk, Ağva-İçerenköy tünelinden alınan numunelerin sıkılaşması için ise titreşimli masa kullanılmıştır. Proktor penetrometre deneyleri, püskürtme beton numunelerinin kalıplara alındıktan sonra arazide 2 saat içerisinde penetrometre uçlarının batmaya karşı gösterdiği direnç dağılımının belirlenmesi olarak gerçekleştirilmiştir. Deneyler, A numunesi için 15. Dakikada başlayıp 15'er dakika ara ile 2 saat boyunca devam etmiş, B numunesi için 5. Dakikada balayıp yine 15'şer dakika ara ile 1 saat boyunca sürmüştür. Deneyler bütün penetrometre uçlarının kullanması ile yapılmıştır. İkinci saat sonrasında deney şartları sağlanamadığı (batma gerçekleşmediği) için deneyler sonlandırılmıştır. Schmidt çekici ile yapılan deneylerde numune yüzeyinde deney yerlerini belirlemek için bir kare hasır desen oluşturulmuş, her deney zamanı için (2, 3, 4, 6, 8, 10 ve 24. saatler ile 2, 3, 5, 7, 9, 11, 14, 17, 21, 23, 26, 28. günler ) 5 adet nokta belirlenmiş ve bu noktalara Schmidt çekici ile 12 kez vuruş yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar birinci gün için batma miktarı, diğer günler için geri sekme değeri olarak kaydedilmiştir. Tek eksenli basma dayanımı deneyi, silindirik numuneler uygun boyutlara (2:1) getirildikten sonra, alt ve üst yükleme dairelerine epoksi başlıklar yapılmış daha sonra 14, 21 ve, 28. günlerde deneyler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, penetrometre deneyinde kullanılan numunenin zarar görmemiş kısmından karot numuneler alınmış bu numuneler uygun şekilde boyutlandırılıp epoksi başlık yapıldıktan sonra 45. günde basma dayanımı testine tabii tutulmuştur Deneyler sonrasında elde edilen veriler analiz edilmiş ve sayısal destek verisi üretilmiş ve yorumlanmıştır. Proktor penetrometresi ile 65 mm2 uçlarla yapılan deneylerde, A numunesi 45. ve 120. dakikalar arası 1.04 MPa'dan 4.24 MPa'a artış göstermiştir. B numunesi ise 15. ve 60. dakikalar arasında 1.23 MPa'dan 3.87 MPa'a artış göstermiştir. Schmidt çekiçi ile yapılan deneylerde A numunesinden birinci günde elde edilen geri sekme değerleri minimum 21, maksimum 47 ve ortalaması 34.41 olup, 28. günde minimum 24, maksimum 48 ve ortalaması 40.48'dir. B numunesi için birinci günde geri sekme değerleri minimum 10, maksimum 34 ve ortalaması 22.9 yine 28. günde minimum 16, maksimum 45 ve ortlaması 36.2 olmuştur. Tek eksenli basma deneylerinde ise A numunesi 14. günde 29.3 MPa ve 28. günde 42.04 MPa, B numunesi 14. günde 34.8 MPa ve 28. günde 44.1 MPa yükleri altında yenilmiştir. Bu deneyler sonucunda, püskürtme betonun zaman içerisinde beklendiği gibi basma dayanımının yükseldiği gözlenmiştir. Proktor penetrometresi deneyi sonuçları incelendiğinde, hızlandırıcı katkılı numuneler başta olmak üzere içerdikleri agrega, kum ve, hızlandırıcı vs. miktarlarındaki farklılıklardan dolayı aynı zamanlarda farklı basma dayanımı verdikleri görülmüştür. Proctor penetrometre ile numune alımından sonra iki saat boyunca veri alınabilmiştir. Bu tez kapsamında güvenlik çekinceleri sebebiyle kullanmamış olsa da literatür araştırması sonucu çivi tabancaları ile ikinci saatten sonra veri alınmaya devam edilebileceği görülmektedir. Schmidt çekici ile yapılan deneyler sonucunda numune alımından itibaren ikinci saatte başlayan ve 24. saate kadar devam eden deneylerde, çekicin yay enerjisinin boşaldığı gözlenmiş ve bu enerjinin geri dönerek bir geri sekme değeri vermediği ama püskürtme betonu aşırı ezerek enerjinin harcadığı görülmüştür. Basma dayanımı deneylerinde ise, püskürtme betonun basma dayanımı artışı haftalık bazda gözlenmiştir. Bu deneyler sonucunda erken yaş basma değerleri tespit edilmiş ve bu değerler ile tünel özelliklerine göre belirlenebilecek olan en uygun sürede kazı işlerine tekrar başlanabilmesi sonucuna varılmıştır. Ayrıca Schmidt çekicinin erken yaş basma dayanımı tayininde kullanılabileceği anlaşılmış ve bu konu üzerinde daha fazla deney yapılması uygun görülmüştür.