Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
517595		An investigation of early age strength in tunnel shotcrete applications / Tünellerde püskürtme beton uygulamarının erken yaş dayanımının incelenmesi Yazar:FATİH MEHMET KÜÇÜKÖZTAŞ Danışman: DOÇ. DR. HAKAN TUNÇDEMİR Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Maden Mühendisliği ve Madencilik = Mining Engineering and Mining Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2018 113 s.
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.
This thesis is structured to better understand early age compressive strength of the shotcrete and aims at determining the optimal time for re-entry to excavation in tunnels, based on numerical data gathered from field and laboratory testing of shotcrete. Shotcrete has an important role in New Austrian Tunneling Method (NATM) tunneling. Introduced by Rabcewicz in 1962, NATM tunneling method or the principal relies on the controlled deformation of the excavated area and allowing rock mass to carry itself. This control is achieved by applying support elements such as shotcrete, wire mesh and, rock bolts to the excavated area. Among the aforementioned support systems development of shotcrete's early age compressive strength is one of the most important factors that determines the time of return to next phase of excavation in both mining and civil tunnels. For meeting the aims of this thesis, proctor penetrometer, Schmidt hammer and, uniaxial compressive strength tests were conducted. Samples obtained from two different tunneling locations and consisting of different compositions were cast into block samples for proctor penetrometer and Schmidt hammer testing and cylindrical samples for uniaxial compressive strength (UCS) testing. Furthermore, core samples were obtained from block samples to be used in UCS testing as well. Proctor penetrometer test were done with six different needles on block samples from both locations. Testing was done immediately after obtaining samples from the nozzle with accelerative additive. Schmidt hammer testing, obtaining the samples, started after two hours following a predetermined pattern at hourly and daily intervals. The tests were done on the troweled surface of the block samples on 5 different locations covering the surface of the sample at a time. Schmidt hammer was applied 12 times on the same testing location, considering consolidation and plasticity of freshly obtained shotcrete. UCS tests were done at second, third and fourth weeks after obtaining the samples on cylindrical sample as well as on the 45th day with core samples. These samples were obtained from the truck-mixer without accelerative additive. All testing was done according to respective ASTM standards. Test results showed the clear increase of the compressive strength of the shotcrete. Testing with proctor penetrometer both samples has satisfied the requirements of General Directorate of Highways of Turkey. Results of sample A showed an increase from 1.04 MPa to 4.24 MPa at between 45th and 120th minutes with 65 mm2 needle. For sample B the increase was from 1.23 MPa to 3.87 MPa between 15th and at 60th minutes with 65 mm2 needle. Furthermore, proctor penetrometer proved a valuable testing method for the first two hours of shotcrete sampling regarding its early age compressive strength. Schmidt hammer testing were not able to yield a rebound value within the first day of testing. Instead spring energy turned into excessive crushing of the shotcrete. Resulting plunger depths from the surface of the samples were recorded. It was concluded that there was a direct connection with excessive crushing of the shotcrete under plunger and the energy released from the spring of the Schmidt hammer. Rebound values obtained from sample A on the first day had a minimum value of 21 and maximum value of 47 with a mean of 34.41 and at the 28th day, minimum rebound value of 24 and maximum rebound value of 48 with a mean of 40.48. Sample B for the first day had had a minimum rebound value of 10 and maximum rebound value of 34 with a mean of 22.95 and at the 28th day minimum rebound value of 16 and maximum rebound value of 45 with a mean of 36.2, respectively. Uniaxial compressive strength tests showed the expected development of compressive strength of the shotcrete. On the 14th day, sample A sample had failed at 29.3 MPa, while sample from sample B failed at 34.8 MPa. On 28th day A sample failed at 42.04 MPa and B sample failed at 44.1 MPa. Results obtained from testing clearly shows the development of the shotcrete and it was determined that, shotcrete's early age strength, the rock mass and, the forces coming to excavated area must be known to correctly calculate optimal time for re-entry to tunnel face. It was also determined with the aforementioned connection and further testing Schmidt hammer could be used to determine the early age strength of shotcrete after first day.