Beton Dayanımının Gerçek Zamanlı Algılama Teknolojisi İle Belirlenmesi
ABD Ulaştırma Bakanlığı, beton yol inşaatından sonra yolun trafiğe ne zaman açılacağına nasıl karar vermektedir?
Mevcut yöntem, mekanik testler yapmak ya da gücü test etmek için bir olgunluk ölçer kullanmaktır. Saha mühendisleri bu yöntemleri yeni betonun ne zaman dökülmeye uygun olduğunu belirlemek için kullanırlar. Her ikisi de yaygın olmalarına rağmen sahada kullanıldıklarında önemli kusurları ortaya çıkan yöntemlerdir. Karayolları ve köprülerde genellikle erken problemler yaşanabilir ve ömürleri önemli ölçüde kısalır. Beton yolun kalitesini denetleme sürecini geliştirmek için Purdue Üniversitesinin Lyles İnşaat Mühendisliği bölümündeki bir araştırma ekibi, mühendislere daha önce görülmemiş bir doğruluk sağlayan ve inşaatı gerçek zamanlı izleyebilecekleri bir yöntem geliştirdi.
Mekanik testler beton dökümünden yapılan numunelerin yerinde hazırlanmasını, laboratuvara taşınmasını ve üzerlerinde basınç ve eğilme gücüne sahip olmasını gerektirir (ASTM C78, C293, C39 ve AASHTO T22, T97). Laboratuvarda hazırlanan numuneler güvenilir sonuçlar verir. Ancak, sahada hazırlanıp laboratuvara götürülen numuneler, laboratuvar ve saha koşulları arasındaki farklar nedeniyle güvenilir olmayan sonuçlar verir. Betonun dayanımı; sıkıştırma derecesi, iç sertleştirme sıcaklıkları ve günlük sıcaklık değişimleri ve bağıl nem yüzdesindeki değişiklikler (% RH) gibi dış sertleştirme koşulları ile belirlenir. Diğer bir yöntem ise betonun kürlenmesiyle gelişen dayanımını değerlendirmek için bir olgunluk ölçer kullanmaktır. Bu ölçer, beton dayanımı ile kür sıcaklığı ve süresi arasındaki ilişkiyi kullanır. Sahada kullanılmadan önce her farklı karışım tasarımı için deneme grupları kullanılarak olgunluk ölçerin kapsamlı ayarlamalar yapılmasını gerektirir.
Bu farklı yöntemler, kapsamlı laboratuvar süresi ve numune hazırlama, saha ve laboratuvar koşullarındaki farklılıkların getirdiği potansiyel hatalar ve genel maliyet gibi çeşitli benzerlikler taşımaktadır. Olgunluk ölçer testi, kullanması hızlı ve kolay olan bir yöntemdir. Dezavantajı ise tüm karışım tasarımları için bina taslaklarının bir başlangıç maliyetinin olmasıve saha koşullarının hiçbir zaman kesin olarak öngörülememesidir. Mekanik testler çok daha uygun maliyetlidir, ancak numuneler için gerekli olan kürlenme süresi planlanan şekilde gitmediği zaman sorun çıkarır.
Purdue Üniversitesinin araştırma ekibi Indianapolis yakınlarındaki I-465 yolunda betonun dayanım gelişimi için algılama verilerini işliyor.
Kesilme Riski
Hızlı tempolu inşaat programları genellikle beton yolu erken yaşlarında bile aşırı yüklenme koşullarına maruz bırakır, bu da yolların ve köprülerin ömründe önemli azalmaya neden olabilir. Bir yolun kullanıma çok erken açmanın yarattığı kaynakisrafının dışında, yaşam döngüsüne dikkat edilmesi için yapılan masraflar ve işçilerin güvenliğinin riski de artar. Karayollarında ve köprülerde yapılan taze beton dökümünün, kullanıma açılmadan önce tamamen kürlenmesine izin verilmesi gerektiği sonucuna ulaşmak basit gibi görünmektedir. Oysaki kapalı yollar vatandaş, hükûmet ve ticaret için sorun yaratan bir unsurdur.
Bu etkileri değerlendirmek için Purdue araştırma ekibi, beton dayanım gelişimini belirlemek için karışımdan bağımsız güvenilir bir test yöntemi geliştirdi. Laboratuvar testleri ve pahalı zaman alıcı ekipman ihtiyacı, elektromekanik iç direnç (EMI) yöntemiyle birleştirilmiş piezoelektrik sensörler kullanarak betonun dayanım gelişimini izlemek için güvenilir bir algılama yöntemi gerektirmiştir. Çalışma prensibi, betona titreşim dalgaları göndermek ve sonra betonun zaman içinde titreşim dalgasına direncini ölçmektir. Betonun dayanımı bu yöntemle gerçek zamanlı olarak izlenebilir. Olgunluk ölçerinin aksine, EMI yöntemi, sıcaklık ve sertleşme süresini ilişkilendirmek yerine doğrudan betonun dayanımını ölçer. Bu nedenle, beton bileşimine bağlı değildir ve belirli bir beton karışımına göre ayar yapılmasını gerektirmez. Araştırma ekibi bu yöntemi, farklı karışımlarla kapsamlı laboratuvar deneyleri kullanarak EMI algılama teknolojisinin sayesinde keşfetti. Bu algılama yönteminin su/çimento oranından, tamamlayıcı çimento esaslı malzemelerin (SCM) dâhil edilmesinden ve farklı çimento tiplerinden bağımsız olduğu sonucuna vardılar. Indianapolis yakınlarındaki I-465 yolu üzerindeki betonda inşaat demirine bağlanmış olan pizoelektrik sensörler.
Yeni Bir Yöntem
İlk yapılan EMI testi, standart mekanik test yöntemiyle karşılaştırıldığında birkaç fark ortaya çıkmıştır. Karşılaştırma için birinci ve üçüncü günlerde mekanik teste gereken silindir numuneler hazırlandı. Sonuçlar, EMI algılama yönteminden gelen betonun bir günlük basınç dayanımının silindir numunelerinden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bunun, betonun ekzotermik hidratasyon reaksiyonlarına bağlı olduğu belirlenmiştir.
Basitçe söylemek gerekirse, büyük levhalar bir silindir numunesinden daha fazla hidratasyon ısısına sahiptir. Diğer bir farkın su buharlaşma hızı olduğu fark edilmiştir. Beton kaplama örnekleri silindir örneklerinden daha ağırdı. Bu duruma silindir kalıpları tarafından daha iyi tutulan suyun neden olduğu düşünebilir, böylece hidratasyon derecesini etkileyen açıkta kalan yüzey alanı azaltılır. Bu yüzden de üçüncü gün EMI algılama sonuçları, mekanik test sonuçlarından biraz daha düşüktür. Bu belirtiler ışığında, EMI algılama sonuçlarının beton döşemenin gerçek koşullarını daha iyi yansıtabileceği söylenebilir.
EMI algılama teknolojisi, saha mühendislerine betonun sağlamlığı için anlık ve doğru bilgi sağlar. Bu bilgiler, beton dökümünden sonra trafiğin açılmasına en uygun zamanın belirlenmesine yardımcı olur. Yoğun ilgi nedeniyle Federal Karayolu İdaresi (Federal Highway Administration), Purdue’daki ekip ile beraber çalışarak bu teknolojiyi bütün eyaletlere yayabilmek için ülke çapında bir fon çalışmasına sponsorluk etmektedir. Kaliforniya, Teksas, Missouri ve Kansas dâhil olmak üzere birçok eyalet Indiana’da başlayan bu çalışmayı desteklemektedir.
Purdue’daki araştırma ekibi prosedürlerini daha da geliştirme fırsatı yakalamıştır. Küçük farklılıkları ortadan kaldırmak ve test yönteminin tutarlılığını arttırmak için sinyal gönderimi yazılımları üzerinde çalışmayı sabırsızlıkla beklemekteler. Planlamalar, kürlenme sırasındaki sıcaklıkları dengelemek ve kablosuz internet ya da Bluetooth iletişimiyle çalışan sensörlerin tedarik edilmesi yönündedir. Genel olarak EMI algılama teknolojisi, saha çalışanlarının karşılaştığı tehlikeli şantiye koşullarını en aza indirmek için tasarlanmıştır.
