KarbonatlaĢma Derinliğinin Belirlenmesi

KarbonatlaĢma deneyi; normal ortamda ve laboratuarlarda hızlandırılmak suretiyle iki Ģekilde yapılmaktadır. Herhangi bir katkının veya beton içindeki bir değiĢikliğin karbonatlaĢma hızına veya derinliğine yaptığı etkiyi belirlemek için hızlandırılmıĢ karbonatlaĢma test tekniği kullanılmaktadır. Normal ortamdaki karbonatlaĢma ise genelde o bölgenin çevre koĢullarının yıllara bağlı olarak karbonatlaĢma etkisini belirlemek için kullanılmaktadır.

HızlandırılmıĢ karbonatlaĢma test metodunda, beton normal atmosferdekinden daha fazla oranda CO2 ortamına maruz bırakılır. Düzgün geometrik numunelerin ölçülmek istenilen yüzeyi olabildiğince dik bir Ģekilde kesilir. Gerçek ortamdan ise karot numuneler alınarak uygulanabilir. Betonun karbonatlaĢma derinliğinin belirleneceği yüzey üzerindeki partiküller çelik fırça ile temizlenir. Taze kesilmiĢ betonun yüzeyine asit/baz belirleyicisi (indikatör) püskürtülür. Püskürtme sonucu oluĢan renk farklılığı kumpas yardımıyla ölçülür. Bu amaç için kullanılan 4 çeĢit indikatör vardır. Bu indikatörler ve belirledikleri pH değerleri Ģunlardır; nitramin 11,5, thymolphtalein 10,0-9,0, in-nitrophenol 8,0 ve yaygın olarak kullanılan 9,0 phenolphtaleindir [72]. %1 phenolphtalein (C2OH14O4) %70 etil alkolde çözülerek hazırlanır. Phenolphtaleinin püskürtüldüğü yüzeydeki renksiz bölgelerin pH derecesi 9.0‟ın altındadır. Mor renge dönüĢtüğü alanlar ise betonun alkalin olduğu bölgelerdir. Asit/baz belirleyicisinin püskürtüldüğü betonun yüzeyi hemen ölçülmelidir. Renklenme meydana gelmez ise renklenmenin olmadığı bölümler karbonatlaĢan bölümlerdir ve bu bölümlerde karbonatlaĢma derinliği ölçülebilir [73].

KarbonatlaĢma hızı hakkında önceden bilgi alabilmek amacıyla çeĢitli denklemler ortaya atılmıĢtır. Bir beton için karbonatlaĢmanın hızını zamana göre veren en temel denklem;

C = KarbonatlaĢma Derinliği (mm),

K =Fiziksel DeğiĢkenleri Ġçeren Parametre, T =Zaman (yıl)

DüĢük dayanımlı bir beton için K parametresi genellikle 3-4 mm/yıl 0,5‟den büyük bir değer alır. Betonun maruz kalacağı dıĢ ortam koĢullarının değiĢken olmasından dolayı

pratikte bu bağıntıyı kullanmak pek güvenli olmamaktadır. KarbonatlaĢma derinliğinin yerinde örnekler alınarak belirlenmesi daha güvenli sonuçlar vermektedir [74].

ÇalıĢmalarda genellikle hızlandırılmıĢ karbonatlaĢma yöntemine rastlanmaktadır. Fakat her iki yöntemi kullanarak yapılan çalıĢmalar da mevcuttur. Buna bağlı olarak yapılan literatür araĢtırmaları sonucunda aĢağıdaki çalıĢmalar incelenmiĢtir:

Malami (2014), çalıĢmasında, Kıbrıs‟ta gerek kıyı gerekse de iç bölgelerde bulunan 8 bina üzerinden karot numuneler alarak basınç dayanımına, yoğunluk ve karbonatlaĢma derinliğine bakmıĢtır. Bulgular, çalıĢılan binalardaki ortalama karbonatlaĢma oranının 1.10mm/yıl olduğunu göstermektedir. Ġç kesimlerdeki binalarda karbonatlaĢma oranının kıyı kesimlerdeki binalara göre daha yüksek olduğu tespit edilmiĢtir. ÇalıĢmalar kapsamında hesaplanan karbonatlaĢma sabit sayıları ile binaların ileriki yıllardaki karbonatlaĢma seviyelerini de belirlemek mümkün olabilecektir. KarbonatlaĢma sorunun en aza indirgenmesi için yoğunluğu ve mukavemeti yüksek beton üretimi en etkili çözümdür [75].

Bernal ve ark., (2014), 7 yıl boyunca atmosferik koĢullarda bırakılan alkali-aktivite cüruflu betonların değerlendirilmesi ve doğal olarak karbonatlaĢan kısımların yapısal özelliklerinin incelenmesi üzerine çalıĢma yapmıĢlardır. Betonlar 400 kg/m3

dozajlı, 0.42 ve 0.48 S/Ç oranlı betonlar, benzer doğal karbonatlaĢma derinliği, ancak 28 günlük kür sonucunda farklı geçirimlilikler göstermiĢlerdir. Bağlayıcının artan miktarları bu betonda (500 kg/m3) 2 mm karbonatlaĢma derinliği Ģeklinde, CO2 penetrasyonunda azalmaya neden olmuĢtur. Bu betonlarda kalsit, vaterit ve natron olmak üzere mineraller tespit edilmiĢtir. Sonuçta, normal betonlara kıyasla alkaliyle aktive cüruflu betonun geçirimlilik özellikleri nedeniyle doğal atmosferik koĢullarda daha yavaĢ karbonatlaĢma reaksiyonu verdikleri anlaĢılmıĢtır [76].

Baharavar (2012), yapmıĢ olduğu çalıĢmasında, uçucu kül çimento ile kütlece %0, %10, %20 ve %30 oranlarında ikame edilerek, 30 mm uzunluğunda ve %30 mm çapındaki çelik lif ise hacimce %1 oranında betonlara ilave edilmiĢtir. Betonlar üzerinde birim ağırlık, iĢlenebilirlik, aĢınma, basınç dayanımı, elastisite modülü, eğilme dayanımı, tokluk, ultra ses hızı ve karbonatlaĢma özellikleri incelenmiĢtir. Uçucu kül oranının tokluğa etkisi olmaz iken liflerin tokluğa önemli etkisi olduğu görünmüĢtür. Uçucu kül ve çelik lif karbonatlaĢmada olumlu etki göstermiĢtir. Uçucu kül oranları karbonatlaĢma derinliği ile ters iliĢkiye sahip olduğu saptanmıĢtır. Uçucu kül oranı arttıkça CaO‟in azalması ile karbonatlaĢmada düĢüĢler görülmüĢtür [77].

Lımbachıya ve ark., (2012), çalıĢmasında, kaba atık beton agregadan farklı oranlarda olmak üzere, normal doğal agregalı betonla benzer 28 günlük dayanım verecek Ģekilde dizayn etmek istemiĢtir. Farklı kaynaklardan aldığı atık betonu %30, %50 ve %100 oranlarında olacak Ģekilde kullanmıĢ ve çeĢitli S/Ç oranlı ve farklı dayanım sınıflarında beton karıĢımlar hazırlamıĢtır. Portland çimentosu, silis dumanı ve atık agregalı betonun mekanik özellikleri ve dayanıklılık performansını incelemiĢtir. Sonuç olarak; kaba atık beton agregalı betonun S/Ç oranındaki azalma, basınç dayanımını, klorür ve karbonatlaĢma direncini arttırmıĢtır [78].

Shaou ve Lin (2011), betonun erken yaĢta karbonatlaĢması için numune hazırlanması ve karıĢım oranları, uygulama yöntemi, kür koĢulları ve deney sonrası betonun özelliklerinin dayanım, pH ve mineraloji açısından değerlendirilmesini anlatmıĢlardır. Betonun erken yaĢta CO2‟e maruz kalmasının hidratasyonu hızlandırdığı bilinmektedir. Bu kürleme metodu, taze betona hemen kürleme sonrası uygulanabilir; böylece kalsiyum silikat bileĢenleri hızla karbonatlaĢır. Ayrıca bu metod kürlenmiĢ betona da uygulanabilir; bu durumda hem anhidro kalsiyum silikatlar hem de hidratasyon ürünleri karbonatlaĢır. Sonuçta, kalsiyum karbonatların hibrit yapısı ve düĢük kireçli kalsiyum silikat hidratlar meydana gelir [79].

Gönen ve Yazıcıoğlu (2005), karbonatlaĢma deneylerini daha çabuk sonuçlandırmak amacıyla, ortam neminin, sıcaklığının ve CO2 miktarının kontrol edilebildiği bir aparat ve deney düzeneği geliĢtirmiĢlerdir. Ġlk etapta gaz sızdırmazlığı olan bir tank tasarlanmıĢ ve içerisine sırasıyla; gaz miktarının belirlenmesi için manometre, ortamın bağıl neminin kontrolü için termostat ve resistanslı su kabı, tank içindeki havanın türbülânsı için fan ve kontrol paneli konulmuĢtur. Silindir Ģeklinde, 90 cm derinlikte ve 50 cm çapında bir tank tasarlanmıĢtır. Çok sayıda beton numunenin aynı anda koyulabilmesi amacıyla iki katlı olarak tasarlanan tankın katları delikli raflar ile ayrılmıĢtır. Bu delikli raflar ve tankın alt kısmına yerleĢtirilen fan, her iki katta da CO2‟in eĢit bir Ģekilde dağılmasını sağlamıĢtır. Deney boyunca tankın dıĢ tarafından içerideki sıcaklığı ve basıncı kontrol etmek için; tankın üst tarafına, üzerinde açma kapama anahtarları bulunan kontrol ünitesi yerleĢtirilmiĢtir. Ġçeriye giren gaz miktarının kontrolü amacıyla tankın dıĢına hava tahliye vanası ve manometre konulmuĢtur. Sonuçta; bu aparatın çok uzun yıllar alabilen karbonatlaĢmanın hızlandırılması amacıyla kullanılabilecek nitelikte olduğu kanısına varılmıĢtır [80].

Ramezanianpour ve Tarighat (2004), çalıĢmalarında, betonda karbonatlaĢma için yeni bir model geliĢtirmek istemiĢlerdir. OluĢturdukları model ile belirli bir zamandaki karbonatlaĢma derinliği, S/Ç malzeme orantısı (w/(c+csf)), silis dumanı-bağlayıcı malzeme orantısı (csf/(c+csf)) ve ortamdaki bağıl nem yüzdesi (RH%) gibi parametreler tahmin edilebilmektedir. Uzun süreli ve hızlandırılmıĢ olarak iki Ģekilde karbonatlaĢma testi yapılmıĢtır. Uzun süreli deneyler Ġran Körfezi‟nin tipik bir bölgesinde Bandar-Abbas Ģehrinde yapılarak, bu sonuçlar hızlandırılmıĢ test sonuçlarının kalibrasyonunda kullanılmıĢtır. HızlandırılmıĢ deney bölümünde ise silis dumanlı beton numuneleri için 0.35, 0.42 ve 0.50 gibi üç farklı S/Ç malzeme orantısı seçilmiĢtir. Yoğunluğu %50 olan CO2 gazına maruz bırakılan numunelerin %RH değerleri 40, 60, 70 ve 90 olarak belirlenmiĢtir. Deney sürecinde 1., 3., 7., 10.,15. ve 21. günlerden sonra karbonatlaĢma derinliklerine bakılmıĢtır.

Uzun süreli deney kısmında Bandar-Abbas‟daki numuneler, yağmurdan korunmuĢ olarak havaya maruz bırakılmıĢtır. Yıllık ortalama sıcaklık 27 °C ve yıllık ortalama bağıl nem %66 olarak ölçülmüĢtür. YaklaĢık 216 ölçümden alınan değerler önerilen modelin kalibrasyonu olarak kullanılmıĢtır. Elde edilen verilerde, daha düĢük w/(c+csf) kullanarak betonda karbonatlaĢma derinliğinin önemli ölçüde azaltılabileceği, beton karıĢımlarında çimento yerine kısmen silis dumanı katılmasının karbonatlaĢma derinliği üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı görülmüĢtür. Elde edilen ifade betonda hızlandırılmıĢ karbonatlaĢma için en uygun model olarak belirlenmiĢtir. Aynı yöntem uzun süreli deney sonuçlarına da uygulanarak ikinci bir model elde edilmiĢtir. Daha sonra kalibrasyon için bu iki model dikkate alınarak aĢağıdaki kalibre edilmiĢ model oluĢturulmuĢtur:

×=k. [ (w /(c+csf)) .(-3.57+0.36RH% -0.00326RH% 2

) + 1.38 (csf/(c+csf)) ].√t Burada;

× = karbonatlaĢma değeri (mm)

k = aĢağıda ifade edilen kalibrasyon faktörü k = 2.51 - 1.84 (w/(c+csf)) + 2.18 (csf/(c+csf)) w/(c+csf) = su-bağlayıcı malzeme orantısı

csf/(c+csf) = silis dumanı-bağlayıcı malzeme orantısı t = süre (yıl)

RH% = ortamdaki bağıl nem

Model, parametrelerin yukarıdaki sınırlar içinde geçerlidir. Modeli kullanırken bu kısıtlamalara dikkat edilmelidir [81].

Zhang ve ark. (2004), çalıĢmalarında çimento miktarından %50 oranında normal incelikte öğütülmüĢ granüle yüksek fırın cürufu ile çok ince öğütülmüĢ granüle yüksek fırın cürufunu ikame ederek iki farklı karıĢımdan üretilen numunelerin karbonatlaĢma etkilerini incelemiĢlerdir. KarbonatlaĢma değerlerine göre, çok ince öğütülmüĢ granüle yüksek fırın cüruflu betonun, normal incelikte öğütülmüĢ granüle yüksek fırın cürufu içeren diğer betona göre karbonatlaĢma dayanıklılığı açısından üstün özellikler göstermiĢtir. Cürufu çok ince öğütmenin, sertleĢmiĢ çimento hamurunda daha yoğun bir yapı meydana getirmesinden dolayı, hamur içerisine CO2 giriĢini engellediğini tespit etmiĢlerdir [82].

Gönen ve Yazıcıoğlu (2004), farklı nem ortamlarındaki beton numunelerde karbonatlaĢma geliĢimini araĢtırmıĢlardır. Numuneler özel olarak tasarlanmıĢ, hızlandırılmıĢ karbonatlaĢma deney düzeneğinde %35, %55 ve %80 bağıl nemde ve %40 CO2‟li ortamda bekletilmiĢtir. Sonuçlara göre; çok nemli bir ortam sayılabilecek olan %80 bağıl nemde karbonatlaĢma biraz yavaĢ geliĢmiĢtir. Nemin fazlalığı CO2‟in difüzyonunu zorlaĢtırmaktadır. Çoğu iklimlerde sıklıkla karĢılaĢılabilecek olan %55 nem gurubunda ise karbonatlaĢma diğer nem oranlarına göre oldukça yüksektir. En az karbonatlaĢma kuru bir ortam sayılabilecek olan %35 nem ortamında gerçekleĢmiĢtir. Burada; karbonatlaĢma reaksiyonunun ihtiyaç duyduğu suyun azlığı bu sonucu ortaya çıkarmıĢtır. 6, 24, 72 saat sonunda karbonatlaĢma derinliklerine bakılan numunelerde, zamanla birlikte %80 ve %55 bağıl nem grubuna ait numunelerin karbonatlaĢma derinliklerindeki fark azalmıĢtır. Azalmadaki sebep karbonatlaĢmanın geliĢimi için en müsait ortam olan %55 nemdeki numunelerin CO2‟e daha erken doymaya baĢlamasından kaynaklanmaktadır [83].

Sideris ve Savva (2004), çalıĢmalarında biri normal portland çimentosu ve diğer 4‟ü katkılı olmak üzere 5 adet çimento çeĢidi kullanmıĢlardır. Katkılı çimentoların iki tanesinde doğal puzolan, diğer iki tanesinde ise linyit uçucu külü katılmıĢtır. Numunelerde sülfat ve klor direnci, karbonasyon derinliği ve basınç dayanımı tayin edilmiĢtir. YaĢ olarak bir yıla kadar elde edilen sonuçlara göre, PÇ yerine puzolanik malzeme ikame edilmesi çimentonun ve karıĢımın sülfata karĢı dayanıklılığını arttırmaktadır. Bir yıla kadar olan herhangi bir yaĢ için karbonasyon derinliğinin puzolanik karıĢımlarda, kontrol karıĢımına göre daha fazla olduğu görülmüĢtür. 4 adet puzolonik karıĢım içinde en iyi performansı Ptolemaida linyit uçucu külü göstermiĢtir [84].

Yazıcıoğlu ve diğ. (2003), çalıĢmalarında Elazığ ferrokrom cürufunu öğütüp, çimento ile %3, %5, %7 ve %15 oranlarında yer değiĢtirerek, hızlandırılmıĢ karbonatlaĢma deneyi yöntemiyle %55 bağıl nemde karbonatlaĢma derinliği, basınç dayanımları ve su emme miktarlarını ölçmüĢlerdir. Cüruf katkısı %3‟e kadar basınç dayanımını arttırmıĢ, %5‟de dayanım düĢmesine karĢın referans ile hemen hemen aynı seviyeye kadar düĢmüĢtür. Cüruf içeriği artmaya devam ettikçe de basınç dayanımı buna paralel olarak azalmıĢtır. Numunelerin basınç dayanımlarına ters orantılı olarak su emme miktarları da değiĢmektedir. En düĢük su emme miktarı cüruf içeriği %3 olan numunelerde, en yükseği ise %15 olanlarda elde edilmiĢtir. Çimento içerisindeki cüruf miktarının artması ile karbonatlaĢma derinliği de artmıĢtır. Referans numune ile cüruf katkılı numuneler kıyaslandığında karbonatlaĢma derinliği; %3‟de %6, %5‟de %13, %7‟de %17 ve %15‟de %30 daha fazladır. Ayrıca karbonatlaĢma hızı tüm numunelerde hazırlanan deney düzeneğine göre 1 günden sonra azalmıĢtır. Numunelerde reaksiyona giren CO2 ağırlığı ile cüruf miktarı ters orantılıdır. En fazla CO2 miktarı, referans numunede olmasına rağmen en az karbonatlaĢma derinliği de referans numunede meydana gelmiĢtir. Cürufun puzolonik özelliğinin olması ve kalsiyum hidroksiti bağlaması karbonatlaĢmanın daha derine inmesinde sebep olarak gösterilebilirliği vurgulanmıĢtır. KarbonatlaĢma reaksiyonları sonucu kalsiyum karbonatın yanı sıra suyun da oluĢmasından dolayı ağırlık farkından gidilerek karbonatlaĢma hakkında tam bir fikir elde etmenin mümkün olmadığını belirtmiĢlerdir [85].

Papadakis ve ark. (1992), beton karbonasyonuna yol açan proseslerin temel ve kapsamlı modellerini geliĢtirmiĢ ve deneysel olarak ispatlamıĢlardır. Parametrelerin olağan aralığında (genellikle bağıl nem BN>%50 için), karbonasyonun henüz baĢlamadığı bölgeleri karbonatlaĢmıĢ bölgelerden tamamen ayıran, karbonasyon bölgesinin oluĢmasına yol açan kesin ve basit varsayımlar yapılabilmektedir [86].

Torii ve Kawamura (1992), çalıĢmalarında, normal Portland çimentosu ile üretilen ve yüksek karbonatlaĢma derinliğine sahip betonların, düĢük klorür geçirimliliği gösterdiği ve karbonatlaĢmanın sonucunda boĢlukların bloklanması ve klorür geçirimliliğinin buna bağlı olarak azalması açıklanmıĢtır. Yüksek fırın cürufu, uçucu kül ve silis dumanı katkılı betonların, havada kür edilseler bile, klorür penetrasyonunu azaltmada çok etkili oldukları, puzolanik reaksiyonun kuru ortamda bile devam ettiği, çimento pastasının ve çimento pastası-agrega arayüz geçiĢ bölgesinin daha yoğun olmasını sağladığı ifade edilmektedir. KarbonatlaĢma sonucunda sertleĢmiĢ çimento hamuru büzülme göstermekte ve betonda

çatlaklar oluĢmaktadır. Bunun olumlu tarafı; bir miktar suyun serbest kalması ve bu suyun çimentonun hidratasyonuna yardımcı olması ile beton dayanımında çok az da olsa bir artıĢ meydana getirmesi ve oluĢan CaCO3 kristallerinin, çimento hamurundaki kapiler boĢluklara yerleĢmesi ile betonu nispeten daha geçirimsiz hale getirmeleridir [87].

Carette ve Malhotra (1992), S/Ç oranını 0,25-0,40 arasında değiĢtirdikleri betonların, 3,5 yıl sonra karbonatlaĢma derinliğini ölçmüĢler ve 0,25 S/Ç oranına sahip betonlarda herhangi bir karbonatlaĢma görememiĢlerdir. Fakat S/Ç oranındaki artıĢla birlikte silis dumanı ilave edilen betonlarda karbonatlaĢma ile karĢılaĢmıĢlardır. Su/(çimento+silis dumanı) oranının 0.40 olduğu betonlarda karbonatlaĢma derinliği 8 mm, Ģahit betonlarda ise 5 mm olarak ölçülmüĢtür [88].