Çimento ve süperakışkanlaştırıcı katkı uyumunu etkileyen faktörler

Beton kalitesinde önemli rol oynayan çimento hamuru akışkanlığı, süperakışkanlaştırıcı katkı kullanılması ile artırılabilmektedir. Fakat süperakışkanlaştırıcı katkı maddesi içeren özellikle düşük su/çimento oranına sahip betonların başlangıçtaki yüksek işlenebilirliği, kısa bir süre sonra kaybolabilmektedir (Jiang, 1999). Çimento ve süperakışkanlaştırıcı katkı maddesi arasındaki uyum, özeliklerinden kaynaklanan çeşitli faktörlerden etkilenmektedir.

Çimento Kaynaklı Etkiler

Yüksek performanslı betonların reolojik özeliklerini etkileyen en önemli faktör, çimentonun kimyasal kompozisyonu, inceliği ve içerdiği sülfatların çözünürlüğü gibi faktörlerdir. Bu etkiler şu şekilde özetlenebilir.

Çimentonun Kimyasal Kompozisyonu

Portland çimentosundaki C3A bileşeni, genel olarak kübik ve ortorombik kristal yapıya sahip olan karışım olarak bulunmaktadır. Kübik yapı, ortorombik yapıya göre daha hızlı reaksiyona girmektedir. Kübik yapıda olan C3A, sülfat iyonları ile hızlı bir şekilde reaksiyona girer ve üzerinde oluşan etrenjit tabakasından dolayı sonraki hidratasyon sürecini yavaşlatır. Böylelikle, çimento hidratasyonu durgunluk devresinde iken çok fazla kıvam kaybı oluşmadan betonun taşınması ve yerleştirilmesi mümkün olmaktadır. Ortorombik yapıda olan C3A ise kübik yapıdakine göre biraz daha yavaş tepkimeye girer ve sürekli devam eden iğne şekilli etrenjit oluşumuna sebep olur (Aitcin, 2004). Süperakışkanlaştırıcı katkı maddelerinin varlığı, kübik C3A yapısının sülfat iyonlarıyla olan reaksiyonun daha kolay kontrol edilmesi sağlanmaktadır. Genel olarak çimentonun C3A yapısının içeriğinin az olması, süperakışkanlaştırıcı içermesi sistemde istenen bir durumdur. C3A yapısının reaksiyonu ile oluşan iğne formundaki etrenjit, ortamdaki suyu tüketir ve hamurun işlenebilirliğini azaltır. Süperakışkanlaştırıcı katkı maddeleri oluşan etrenjit formlarının üzerinde tutunarak bunların iğnemsi yapıya dönüşmesini geciktirmektedir (Prince, 2002).

Süperakışkanlaştırıcı katkı maddelerinin dağıtma etkisinin kararlı ve sürekli olabilmesi için asıl olarak C3S ve C2S bileşenleri üzerinde tutunması gerekmektedir (Akman, 1999). Fakat C3A + C4AF içeriği fazla olan çimentolarda, katkının bu bileşenlere tutunması sebebiyle, C3S ve C2S bileşenleri üzerine tutunan göreceli miktarı dolayısıyla,

20

hamurun akışkanlığı azalır (Chandra, 1994). Çok sayıda yapılan araştırmaya rağmen süperakışkanlaştırıcı katkı maddeleri ve C3A bileşeni arasındaki etkileşimi kontrol eden temel prensipler net olarak anlaşılmamıştır. Karışım içerisinde bulunan süperakışkanlaştırıcı moleküllerinin tükenmesi ile beraber etrenjit tekrar normal olarak gelişmeye devam etmektedir (Prince, 2002).

Bazı araştırmacılar, süperakışkanlaştırıcı etkinliğinin çimentodaki C3A/ CaSO4 oranına bağlı olduğunu, bu oranın artmasıyla akışkanlığın azaldığını bildirmiştir (Boragafio, 1992). Bununla beraber akışkanlığın azalmasının, C3A içeriğinden ziyade, boşluk çözeltisinin yapısıyla ilgili olduğunu belirten araştırmalar da bulunmaktadır. Çökme kaybının C3S bileşeni hidratasyonu ile ilgili olduğunu, bu durumun iğne formundaki etrenjit oluşumu ile alakalı olmadığını vurgulayan araştırmalara da rastlanmaktadır (Chandra, 2002).

SNF (Polinaftalin sülfonatlar) kullanarak yapılan deneylerde, çimentodaki C3S/C2S ve C3A/C4AF oranı arttıkça karışımın viskozitesinin arttığı rapor edilmiştir (Asakura, 1992; Ramachandran, 2005).

Çimentonun İnceliği

Süperakışkanlaştırıcı katkı maddesi içeren çimento hamurunun viskozitesi çimento inceliğine de bağlıdır. Çimentonun inceliği arttıkça hamurun viskozitesi artar. Yapılan araştırmalarda, 11 μm’den küçük tane boyutu ile viskozite arasında doğrudan bir ilişki olduğunu göstermiştir (Ramachandran, 2005; Nawa, 1992). Aynı şekil işlenebilmeyi sağlamak amacıyla çimentonun inceliğine bağlı olarak daha fazla süperakışkanlaştırıcı katkı maddesi kullanılması gerekmektedir (Aitcin, 1994; Hanna, 1989; Griesser, 2002). Göreceli olarak düşük inceliğe ve düşük C3A içeriğine sahip çimentoların daha iyi akışkanlık özeliği gösterdiği bildirilmiştir (Bonen, 1995; Tanaka, 1998).

Öğütmeyi Kolaylaştırıcı Katkıların Etkisi

Çimento üretiminde öğütmeyi kolaylaştırmak için klinkere katılan katkılar, süperakışkanlaştırıcı katkı maddelerinin çimentoya tutunma özelliğini dolayısı ile işlenebilmeyi değiştirmektedir (Houst, 1999). Öğütmeyi kolaylaştırmak için kullanılan trietanol aminasetat katkısının, hamurun eşik kayma gerilmesini %25 düzeyinde azalttığı belirtilmiştir (Flatt, 2001).

21 Süperakışkanlaştırıcı Kaynaklı Etkiler

Katkı maddeleri üretici firmaları tarafından verilen, katkı madde oranı, yoğunluk, pH, sülfat ve klorür içeriği gibi özellikler, ürünün performansı hakkında elle tutulur bir bilgi vermez (Aitcin, 1994). Süperakışkanlaştırıcı katkı maddelerinin etkinliğini belirleyen bağlı sülfonat grubunun pozisyonu, polimer zincirinin uzunluğu ve bunların çapraz bağlanmaları, atık sülfat miktarı ve nötürleştirme işleminde kullanılan karşıt (counter) iyon tipien önemli özellikleridir.

Katkı Kökeni, Moleküler Ağırlık, Sülfonasyon ve Polimerizasyon Derecesi Etkisi

Süperakışkanlaştırıcı katkı maddeleri kökenlerinden dolayı birbirinden farklı olabilecekleri gibi aynı kökene sahip olan katkılar da, moleküler ağırlık ve kimyasal kompozisyonlarındaki değişkenlikten, farklılık gösterebilirler (Chandra, 2002).

MLS esaslı katkının ortalama molekül ağırlığının yaklaşık 20000-30000, SMF ve SNF bazlılarınki ise yaklaşık olarak 30000’dir (Aitcin, 1994; Ramachandran, 1995). Süperakışkanlaştırıcının molekül ağırlığının artmasıyla akışkanlığın arttığı, fakat bir noktadan sonra, moleküler ağırlığın artmasının viskozitede artışa yol açtığı gözlenmiştir (Basile, 1989). Çok yüksek moleküler ağırlığa sahip olması katkıdaki uzun polimer zincirinin çimento tanelerine tutunarak topaklaşmaya yol açabileceğini göstermiştir (Kim, 2001). Süperakışkanlaştırıcının sülfonasyon derecesinin göreceli olarak moleküler ağırlığından daha fazla işlenebilirliği etkilediği belirtilmiştir (Hsu, 2000).

Süperakışkanlaştırıcının polimerizasyon derecesinin, karışımın dayanımının gelişmesine olan etkisinin polimerin tipine bağlı olarak değiştiği, bununla birlikte, düşük moleküler ağırlıklı polimerin çimento tanelerini dağıtmada daha etkili olduğu gözlemlenmiştir (Ramachandran, 1995; Mouka, 1993).

Asidik sülfonat grubunun (HSO3), naftalin molekülüne bağlanma şekli süperakışkanlaştırıcının verimini etkilemektedir (Aitcin, 2004).

Karşıt İyon Kökeni Etkisi

Üretim sırasında nötrleştirmek için kullanılan baz, süperakışkanlaştırıcının performansını etkilemektedir. SNF bazlı katkılarda, sodyumun karşıt iyon olarak kullanılması (Na-SNF) magnezyum (Mg-SNF) ve kalsiyuma (Ca-SNF) göre daha iyi reolojik özeliklere yol açmıştır (Kim, 2000). Polikarboksilat bazlı katkıların üretiminde ise

22

sodyum veya magnezyum kullanımı süperakışkanlaştırıcının performansında etkili olmamıştır (Flatt, 2001).