Sülfatın beton ve betonarme elemanlara olumsuz etkisi

Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

mühendislik dergisi

SülfatÕn beton ve betonarme elemanlara olumsuz etkisi

Murat DOöRUYOL1_{, Halim KARAùøN*}2

1 _{ùÕrnak Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, ùÕrnak} 2 _{Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, DiyarbakÕr}

Özet

Zemin ile temas halinde olan beton ve betonarme yapÕlarda zamanla oluúan bozulmalarÕn sebeplerinden biri sülfat etkisidir. Yüksek yo÷unlukta sülfat iyonlarÕna maruz kalan beton tamamen tahrip olabilmektedir. Bu amaçla sülfat yo÷unlu÷u yüksek topraklarÕn sülfat oranÕ TS 12457–4 StandartlarÕna karúÕlaútÕrÕlarak incelendi. Yüksek oranda sülfatÕn betonun dayanÕm ve dayanÕklÕlÕ÷Õna etkisini görebilmek için numuneler

ASTM C 1012’ye uygun úekilde hazÕrlanmÕú 150 g/l Na2SO4 çözeltisinde 5 ay süreyle bekletilmiútir. AynÕ

zamanda sülfatÕn etkisini araútÕrmak için bu numuneler 28 günlük su kürü ile dayanÕm kazanmÕú numunelerle karúÕlaútÕrÕldÕ. Sülfat etkisine maruz beton numunelerin belli aralÕklarla yüzey sertlikleri ve basÕnç dayanÕmlarÕ ölçüldü. AynÕ zamanda numunelerde meydana gelen a÷ÕrlÕk de÷iúimleri ve yüzeysel bozulmalar periyodik olarak gözlemlendi. Netice olarak sülfatÕn beton ve betonarme elemanlarda dayanÕm ve dayanÕklÕlÕ÷Õ düúürdü÷ü tespit edilmiútir. Sülfata maruz beton ve betonarme elemanlarda dayanÕklÕlÕ÷Õ artÕrmak için çimento yerine belirli oranlarda puzolanlarÕn (uçucu kül, yüksek fÕrÕn cürufu) kullanÕlmasÕndan olumlu sonuçlar elde edilmiútir. Bu çerçevede Çimento yerine puzolanlarÕn kullanÕmÕnÕn erken dayanÕmlarÕ düúürdü÷ü tespit edilmiútir. Ancak bu etkinin ilerleyen yaúlarda büyük oranda kayboldu÷u görülmekte ve sülfat etkisine maruz katkÕsÕz numuneden daha yüksek dayanÕma ulaútÕ÷Õ tespit edilmiútir. Sülfat etkisine

mühendislikdergisi

Cilt: 2, 1, 3-9

Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi $UDO×N 2, 79-85

M. Do÷ruyol, H. Karaúin

The negative effect of sulfate to the

concrete and reinforced concrete

elements

Extended abstract

One of the reasons deteriorations constitute at the concrete and reinforced concrete structures in the time is the effect of sulfate.Naturally occuring sulfates in soils and groundwater, after a series of chemical processes, may lead to durability problems causins expansion and disintegration of the hardened concrete. Concrete that expose to sulfate ions at high-density may destroy completely. Effect of fly ashes (FA) and blast furnace slag (BFS) on properties of superplasticizer (SP) added concrete

was investigated against to sufate effect. FA and

BFS were added to Portland cement (PÇ 42,5) 20 %

by weight of the cement.FA and BFS replacement

concretes were compared with each other as well as with Portland cement concrete. 15 cm cube specimens were prepared with produced concrete and cured at 7, 28, 90 and 150 days For this purpose, high density sulfate of soils were examined by comparing the ratio of TS 12457-4 Standards. In this study, pozzolanic additions were added to changing in ratio 20 % by weight of the (PÇ. 42.5) portland cement. The 0.56 water/cement ratio and 300kg/m3 _{cement dozage are selected as reference. A}

control concrete sample is also produced having the

same dozage. The performance of mineral

additives concrete was obtained both in the sulphate and water cures. In this context, three series of concrete samples was produced; in two concrete samples series the certain ratio of fly

ash and granulated blast furnace slag was used as additives, and one series of sample was used without additives. In order to see the effect strength and durability of concrete at high-rate sulfate, concrete samples were rested in a solution of Na2SO4(150 g / l) in accordance

with ASTM C 1012. One group of specimens was kept continuously in sodium sulphate solution with concentration of 150 g/l for 5 months.. The other group samples were rested in water and compressive strengths are presented as a comparatively. At the end of each curing period, a total of 3 specimens were tested for each concrete property. Surface hardness and compressive strength of Concrete samples exposed to Sulphate effect were measured regularly. At the same time, the surface distortions and changes of weight of the samples were observed periodically. As a result, sulfate is determined to decrease upon the strength and durability of concrete structures. Moreover, The results showed that use of %20 FA(Fly Ash) as replacement of portland cement increased the strength properties of concrete samples. Economical benefit can be achieved by using pozzolanic additions in the concrete mixture. As a conclusion use of such additions, waste materials, provide both durable and economic concrete structures and ecologic balance for.

Keywords: Sulphate effect, concrete compressive strength, deterioration of concrete, durability



Giriú

Sülfat etki betonarme getirir. M dayanÕm v yer altÕ suy deniz suyu betonarme betona etk sülfat iyon reaksiyonla Neville, 20 úiddetinin betonda ku Sülfat day dayanÕklÕ ç fÕrÕn cürufu (Karasin ve Amaç ÇalÕúmanÕn de÷erlerle betonarme etkisini gö semtlerind de÷erleri b Önem Sülfat etk betonarme arttÕrmak s portland azaltarak y fabrikalarÕn mineral ka kül ve yü ekonomik kullanÕldÕ÷ elde etmek

isine ba÷lÕ yapÕlarda Meydana ge ve durabilite yu, kanaliza u ve toprak yapÕlarÕ kisi, hidrate nlarÕ arasÕnd ar yoluyla 004; Nehdi etkisini, ullanÕlan çi yanÕklÕlÕ÷Õn çimento ile u gibi puzo e Dogruyol n amacÕ sü karúÕlaútÕra yapÕlarda örmektir. B en ait top belirlenmiúti kisine maru yapÕlarda sülfatÕn beto çimentosun yerine term nÕn atÕk ma atkÕ malzem üksek fÕrÕn hem de g ÷Õ için çevre ktir. SülfatÕn b

sülfat koroz a bozulm len bozulm eyi olumsuz asyon sularÕ kla temas e olumsuz e e Portland da meydana olur (Al-A ve Hayek, betonun imentonun cin nÕ arttÕrmak birlikte uçu lanik katkÕl 2010). ülfat de÷erl arak sülfat dayanÕm v u amaçla S prak numun ir. uz kalabile dayanÕm v onda olums nu beton mik santral alzemesi ola meler olarak cürufunu k geri dönüúü eyi daha az beton ve beto

zyonu beton malar meyd malar yapÕl z etkiler. Sü Õ, ya÷mur s derek beton etkiler. Sül çimentosu gelen kimy Amoudi, 1 2005). Sül geçirimli nsi belirlemek k için sü ucu kül, yük lar kullanÕla lerinin stan tÕn beton v ve durabili Siirt ilinin nelerinin sü ecek beton ve dayanÕkl suz etki yar karÕúÕmÕn ve demir-ç arak açÕ÷a ç k bilinen uç kullanarak üm malzem z kirleten b onarme elem n ve dana larda ülfat; suyu, n ve fatÕn u ile yasal 997; fatÕn ili÷i, ktedir. ülfata üksek abilir ndart veya iteye bazÕ ülfat n ve lÕlÕ÷Õ ratan ndan çelik çÕkan çucu hem meleri beton bozu yÕlÕn DÕú hidr beto Sülf gere Am sÕnÕ sülf olan oran çim Beto beto sebe 0.50 artÕr bir ç görm çim su/ç manlara olum ulmasÕ Bar ndaki çalÕúm ùekil 1 kaynaktan ratasyon ü onda alçÕtaú fat etkisini ekenler merikan Sta flandÕrdÕ÷Õ fatla reaksi nÕdÕr. Çime nÕn (< %5 mento kullan onun geçir ona sÕzma eple betonu 0 arasÕnda tu rÕr. Monteir çalÕúmada, memesi için mentonun C çimento or msuz etkisi radan ve malarÕnda ùe 1. SülfatÕn b n betona ürünleriyle Õ ve etrenjit azaltmak i andardÕ AS Sülfata yona giren entodaki C3 ) altÕnda o Õlabilir. rimsizli÷ini asÕnÕ engel unun su/çim utulmasÕ be ro vd. di÷er betonun sül n kritik bir C3A mikt ranÕnÕn 0.4 arkadaúlarÕn ekil 1’de gibi g

betona tema giren sody reaksiyon t oluúturur. için yapÕlm STM Tip dayanÕklÕ n C3A mik 3A miktarÕn olan sülfata i sa÷layara llemek ge mento oran eton basÕnç rleri tarafÕnd lfat saldÕrÕs r bölgenin tarÕnÕn % 45’in altÕn nÕn (2002) gösterilmiútir. asÕ yum sülfat na girerek masÕ V olarak çimento, ktarÕ en az nÕ belli bir a dayanÕklÕ ak sülfatÕn erekir. Bu nÕnÕn 0.45– dayanÕmÕnÕ dan yapÕlan sÕndan zarar bulundu÷u, 8’den az, nda olmasÕ ) t k k , z r Õ n u – Õ n r , , Õ

Arazi

Ar

ÇalÕúma Y ønceleme zeminle formasyon civarÕnda b amaçla, a yarmalarÕn temel so faydalanÕlm oranlarÕ karúÕlaútÕrÕ Tablo 1. S Standartla Siirt ili ve oranlarÕ T yakÕn veya Karayollar üstü drena beton ve b ve dökülm Analiz Edile Noktalar Tillo–1 Yeni Mah. 9051 Çakmak Mah. 8653 Çakmak Mah. ùeyh Zeynep 9313/1 Çakm Mah. STP 3 STP 15 STP 30 SBH 2

raútÕrmala

Yöntemi alanÕ ço÷u örtülüdür. nlarÕn öze bulunan mo ayrÕca önc ndan, temel ondaj kuy mÕútÕr. Siirt TS12457–4 lmasÕ Tablo Sülfat para rÕna göre ka çevresinde S EN 124 a fazla oldu÷ rÕ tarafÕndan aj hendek b betonarme y meler ùekil 2’d en Param Sülfat (mg/l) 10,1 9,8 k 10,5 k _13,8 p 12,3 mak _15,1 10,4 10,2 15,4 13,8

arÕ

unlukla top Bu n ellikleri in stralarda ar ceki incele kazÕlarÕnda yularÕna a t iline ait s 4 Standa o 1’de verilm ametrelerini karúÕlaútÕrÕlm e alÕnan num 57–4 Standa ÷u tespit ed n 18 yÕl ön betonu, san yapÕlarda za de gösterilmiúti metreler T Klorür (mg/l) Sü (m Ma 7 Uy 5 Uy 10 Uy 15 Uy 22 Uy 12 Uy_D 7 Uy 5 Uy 10 Uy_D 15 Uy M. Do prak örtü edenle te nceleme a raútÕrÕlmÕútÕr emelerden, an, açÕlmÕú s ait verile semtlerin sü artlarŦna miútir. in TS 1245 masÕ munelerin sü artlarÕnÕn sÕnÕr ilmiútir. nce yapÕlan nat yapÕlarÕ amanla pullanm tir. TS 12457–4 StandartlarÕ ülfat mg/l) ax 15 Klorü (mg/l Max 2 ygun Uygu ygun Uygu ygun Uygu ygun Uygu ygun Uygu ygun De÷il Uygu ygun Uygu ygun Uygu ygun De÷il Uygu ygun Uygu o÷ruyol, H. K türü emel alanÕ r. Bu yol su ve erden ülfat göre 57–4 ülfat rlarÕna n yer gibi nmalar Sod AST çöze yap hazÕ açÕs kald ned küp çöze Çim Den kull (UK kim ür l) 25 un un un un un un un un un un Karaúin ùekil 2. S dyum sülfat TM C1012’ eltisi kulla Õlan çalÕúm Õrlanan ka sÕndan farkl dÕ÷Õ gözlen enle hazÕrla numunele eltisinde 5 a mento ve m neyde kulla lanÕlan min K) ve yü myasal bileúe Sülfattan zar t çözeltisini ’ye göre 50 anÕlmalÕdÕr. mada söz arÕúÕmlarÕn ÕlÕklarÕnÕ or nmiútir (To anan 150x1 er, 150 g ay süreyle b ineral katk anÕlan CEM neral katkÕ üksek fÕrÕn enleri Tablo rar gören ya in hazÕrlan 0 g/l’lik sod Ancak, konusu sülfat d rtaya koyma osun vd. 150x150 m g/l’lik sody bekletilmiúti kÕlar M I 42.5 maddeleri n cürufu o 2’de göste apÕlar nÕúÕ dyum sülfat daha önce çözeltinin, dayanÕklÕlÕ÷Õ ada yetersiz 2003). Bu mm boyutlu yum sülfat ir. çimentoyla uçucu kül (YFC)’nin erilmiútir. t e , Õ z u u t a l n

SülfatÕn beton ve betonarme elemanlara olumsuz etkisi



Tablo 2. Kimyasal bileúenlerinin oranÕ

Bileúik AdÕ UK YFC

CEM I 42.5 % SiO2 54.28 39.58 20.0 Al2O3 23.58 11.13 5.82 Fe2O3 8.80 0.86 3.62 CaO 5.00 36.07 61.61 MgO 1.31 7.27 1.42 SO3 0.53 0.4 2.80 K2O 2.00 0.94 0.92 TiO2 1.48 0.85 - MnO 0.07 1.17 - Ba 0.17 1.09 - S+A+F 86.66 51.57 KÕzdÕrma.kaybÕ 1.72 0.34 2.8 Blaine (cm2_{/gr) 2660 4574 3524}

KullanÕlan agrega dere agregasÕ olup fiziksel özellikleri Tablo 3’de verilmiútir.

Agrega numunesinin sahip oldu÷u gradasyonun uygunlu÷unu kontrol edebilmek için agreganÕn maksimum dane boyutu 31.5 mm olan agrega numunelerinin Türk standardÕna göre gradasyon sÕnÕr de÷erlerine uygunlu÷u ùekil 3’de karúÕlaútÕrÕlmÕútÕr.

Tablo 3. Dere agregasÕnÕn fiziksel özellikleri

KÕrmÕzÕ çizgiyle temsil edilen deney agregasÕ sÕnÕr de÷erlerinin arasÕnda oldu÷u görülmüútür. Bu durum agreganÕn deney agregasÕ olarak kullanÕlabilece÷ini göstermektedir.

Sülfat etkisine karúÕ dayanÕmÕ artÕran mineral katkÕ malzemelerinden Uçucu Külün beton

karÕúÕmÕna 1 m3 _{için %20 çimentonun yerine}

kullanÕlarak eklenmiútir. Deney malzemelerinin 1

m3 _{beton karÕúÕm oranlarÕ tablo 4’te}

gösterilmiútir.

Deney SonuçlarÕ

8 18 28 37 47 62 80 100 15 28 42 53 65 77 89 100 11,0 22,0 35,0 48,0 63,0 84,0 100,0 8 14 23 38 62 100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 E L E K T E N G E ÇE N M øKT AR, % B C DENEY AGREGA A

Yüzde Geçen Miktar

Kimyasal KatkÕ Dere ÇakÕl (15-30) Dere ÇakÕl (7-15) Do÷al Kum (0-5) 31.5 (mm) 100 100 100 16 (mm) 43.5 100 100 8 (mm) 1.1 49.3 100 4 (mm) - 12.1 84.8 2 (mm) - 6.4 62.1 1 (mm) - 2.1 40.5 0.5 (mm) - 1.2 19.3 0.25 (mm) - 1.0 7.2 Agrega oranlarÕ(%) 28 18 54 Doygun yüzey kuru özgül a÷ÕrlÕ÷Õ 7.746 2.735 2.655 1.170– 1.191 Su emmesi 1.2 1.4 1.7 Los A. AúÕnma % 20 kayÕp

Sülfat kür dayanÕm Numuneler de÷erleri T Tablo Sülfata ma görünümü, baúlayarak beton yü dökülmeler çözeltisind oluúan boz (Karaúin ve Tablo 5. TS EN 123 hidrolik y edilen ba gösterilmiú 1 m3 SU ÇøMENTO UÇUCU KÜ ÇAKIL 15-ÇAKIL 7-1 KUM 0-5 KøMYASAL UÇUCU KÜ MøNERAL KATKISIZ ründe bekle de÷erleri rin 28 g Tablo 5 ‘te g 4. 1 m3 _bet aruz bÕrakÕ , özellikle k tüm yüze üzeyinde ç rdir(Arslan de 28 gün b zulmalar Fo e Do÷ruyol 28 günlük b 390-3’e gör yük kontro asÕnç day útir (Karaúin n 3 ÜL (%20) 30 3 5 5 1 L KATKI Küp Su küründ MPa = N/mm2 ÜL 33.75 36.03 etilen numu daha dü gündeki ba gösterilmiút tonun karÕúÕ Õlan betonu e köúe v eye yayÕlan çatlaklar v 2001). % bekletilen b otograf 2.’d 2010). basÕnç daya re 3 kN/sn y ollü preste yanÕmlarÕ n ve Do÷ruy Beton numune K 170 kg 300 kg - 348 kg 544 kg 1013 kg 1.8 kg numunelerin BasÕnç Day de %15 li Sodyum Sülfatt = 2 _N/mmMPa = 33.46 34.52 M. Do unelerin ba úük çÕkm asÕnç daya ir. Õm oranlarÕ un karakter ve kenarla beyaz lek ve köúeler %15 ‘lik sü eton numun de gösterilm anÕm de÷erle yükleme hÕz kÕrÕlarak ùekil 5’ yol, 2010). Uçucu Kül atkÕlÕ numune 170 kg 240 kg 60 kg 348 kg 544 kg 1013 kg 1.8 kg n 28 Günlük yanÕmÕ ik m ta De÷iúi = m2 % 6 -0.86 2 -4.37 o÷ruyol, H. K asÕnç mÕútÕr. anÕm ristik ardan keler, rinde ülfat nede miútir leri zÕnda elde de ùe

Son

Sülf bozu day Yap %15 num de÷ kürü day edil () e im 6 7 Karaúin ekil 4. Sülfa

nuç ve ön

fat, betonda ulmalar o anÕmÕnÕ da pÕlan çalÕúm 5’lik Sü munelerin 2 erlerinin ka üne maru anÕm de÷er lmiútir. ùekil 5. B 23,73 20 25 30 35 40 45 7.G Bas Ŧnç Da ya n Ŧm Ŧ( Mpa ) t etkisiyle b

eriler

a beyaz leke oluúturmanÕ olumsuz etk mada standa lfat çöze 8 gün sonu arúÕlaútÕrÕlm z kalan rlerinin dah Beton basÕnç 3 33,47 27,87 34 Gün 28.Gü Uçucuküllü bozulma olu elenmeler v Õn yanÕnd kilemektedi art kür hav zeltisinde undaki basÕn masÕ netices numuneler ha düúük ol ç deney sonu 38,27 4,53 39,47 ün 3Ay ü KatkŦsŦz úan beton ve yüzeysel da basÕnç ir. vuzunda ve bekletilen nç dayanÕm sinde sülfat rin basÕnç du÷u tespit uçlarÕ 39,75 7 40,09 5Ay l ç e n m t ç t

SülfatÕn beton ve betonarme elemanlara olumsuz etkisi



Çimento yerine puzolanlarÕn (Uçucu Kül, Yüksek FÕrÕn Cürufu) kullanÕmÕ erken dayanÕmlarÕ düúürmüútür. Ancak bu etkinin ilerleyen yaúlarda büyük oranda kayboldu÷u görülmekte ve sülfat etkisine maruz katkÕsÕz numuneden daha yüksek dayanÕma ulaútÕ÷Õ tespit edilmiútir.

Çevre koúullarÕna dayanÕklÕ beton üretebilmenin yolu katkÕ malzemelerinin kullanÕlmasÕ ile mümkündür. Bu katkÕ maddelerinin baúÕnda da mineral katkÕ maddeleri gelir. Türk StandartlarÕ’nda belirtilen normlara uymak kaydÕ ile üretilen ve bilinçli olarak yerli yerinde kullanÕlan mineral katkÕlar ile hazÕrlanan beton nispi olarak hem daha ucuz hem daha sa÷lam olaca÷Õ düúünülmektedir.

KullanÕlan bu mineral katkÕlarÕn demir-çelik fabrikalarÕnÕn ve termik santrallerinden atÕk malzeme oldu÷u düúünüldü÷ünde bu puzolanik

malzemelerinin kullanÕlmasÕyla 1 m3 _C25

betonu üretiminde %20 oranÕnda kullanÕlmasÕyla yaklaúÕk 60 kg çimentonun ekonomik tasarrufunun yanÕ sÕra atÕk malzemelerin geri dönüúümünün sa÷lanmasÕ da büyük bir önem arz etmektedir.

Kaynaklar

Arslan, M. (2001). Beton (Dökümü, KalÕplarÕ, KusurlarÕ ve DayanÕklÕlÕ÷Õ), Atlas YayÕn Da÷ÕtÕm, yayÕn no 3, 1.BaskÕ, østanbul, A÷ustos, 157

Al-Amoudi O.S.B. (1997). Sufate attack and

reinforcement corrosion in plain and blended cements exposed to sulfate environments,

Building and Environment, 33, 53- 61.

Baradan, B. YazÕcÕ, H., Ün, H. (2002). Betonarme

yapÕlarda kalÕcÕlÕk (Durabilite), DEÜ Müh. Fak.

YayÕnlarÕ, øzmir, s. 89–185

MonteÕro, P.J.M., KurtÕs, K.E. (2003). Time to

Failure for Concrete Exposed to Severe Sulfate Attack, Cement and Concrete Research, Vol. 33,

p. 987- 993.

Karasin A. ve Do÷ruyol M.(2010). Sülfat Etkisi

Optimum Puzolanik KatkÕ KÕullanÕmÕ, e-Journal

of New World Sciences Academy Engineering Sciences, 1A0157, 6, (1), 348-357.

Nehdi M. and M. Hayek (2005). Behavior of

blended cement mortars exposed to sulfate solutions cycling in relative humidity. Cement

and Concrete Research, 35, 731–742.

Neville A. (2004). The confused world of sulfate

attack on concrete. Cement and Concrete

Research, 34, 1275–1296.

Tosun K., YazÕcÕ H., Yi÷iter H., Baradan B. (2003).

Uçucu Kül øçeren Çimento HarçlarÕnÕn Sülfat DayanÕklÕlÕ÷ÕnÕn øncelenmesi, V. Ulusal Beton

Kongresi. østanbul.

TS EN 12457–4, (2004). AtÕklarÕnÕn Nitelendirilmesi-KatÕdan. Özütleme Analizi- Granül KatÕ. TS EN 12390-3 Beton-Sertleúmiú Beton

Deneyleri-Bölüm 3: Deney Numunelerinde BasÕnç DayanÕmÕnÕn Tayini.