DOKUZ EYLÜL ÜN VERS TES
FEN B L MLER ENST TÜSÜ
DEN Z SUYUNUN Ç MENTO T P FARKLI
HARÇLARIN MEKAN K VE DURAB L TE
ÖZELL KLER NE ETK S
Ebru ERTEN
Ocak, 2009 ZM R
DEN Z SUYUNUN Ç MENTO T P FARKLI
HARÇLARIN MEKAN K VE DURAB L TE
ÖZELL KLER NE ETK S
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi
n0aat Mühendisli3i Bölümü, Yap6 Malzemesi Anabilim Dal6
Ebru ERTEN
Ocak, 2009 ZM R
YÜKSEK L SANS TEZ SINAV SONUÇ FORMU
EBRU ERTEN, taraf ndan DOÇ. DR. SELÇUK TÜRKEL yönetiminde haz rlanan “DEN Z SUYUNUN Ç MENTO T P FARKLI HARÇLARIN MEKAN K VE DURAB L TE ÖZELL KLER NE ETK S ” ba l kl tez taraf m zdan okunmu ,
kapsam ve niteli i aç s ndan bir Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmi tir.
Dan man
Jüri Üyesi Jüri Üyesi
Prof.Dr. Cahit HELVACI Müdür
TE:EKKÜR
Tez a amas nda de erli bilgileri, sabr ve güler yüzü ile çal malar ma k tutan Tez Dan man m Say n Doç Dr. Selçuk TÜRKEL’e, tüm de erli bilgileri ve tecrübeleriyle tez çal mas n n ilerleyi i esnas nda yol göstericim olan Say n Prof. Dr. Bülent BARADAN’a, her konunun irdelenmesinde ve her sorunun çözümünde destek ald m Say n Yard. Doç Dr. Halit YAZICI’ya, teknik desteklerinden ötürü Say n Dr. Müh. Kamile TOSUN, Say n Dr. Müh. Hüseyin Y898TER, Ara . Gör. Burak FELEKO9LU ve Ara . Gör. Serdar AYDIN’a çok te ekkür ederim.
Laboratuar donan m hakk nda teknik destek sa layan laboratuar teknisyeni Kamil TAHTA’ya, at ksu laboratuar nda klorür miktar belirlemede yer alan kimya konular nda yard mlar n esirgemeyen Çevre Mühendisli i Bölümü Çevre Bilimleri Anabilim Dal Ö retim Üyesi Say n Dr. Zihni YILMAZ’a ve tekniker Orhan ÇOLAK’a, tezimin haz rlamas nda eme i geçen ad n sayamad m herkese ve tüm de erli arkada lar ma te ekkürü bir borç bilirim.
Ayn zamanda Çimenta Çimento Fabrikas ’ndan çimento temin edilmesinde yard mc olan Sn. Burak Akyol’a, Sn. Nilüfer Azrak Karaka ’a, Sn. Burcu Beyaz to lu’na te ekkür ederim. Karçimsa Çimento Fabrikas ’ndan ise cüruflu çimento temin edilmesinde yard mc olan Sn. Selma Cesur’a te ekkür ederim.
Ho görü ve sevgi ortam nda her türlü maddi ve manevi deste i sa layan, ba ta annem olmak üzere, de erli aile bireylerime minnet ve ükranlar n sunar m.
DEN Z SUYUNUN Ç MENTO T P FARKLI HARÇLARIN MEKAN K VE DURAB L TE ÖZELL KLER NE ETK S
ÖZ
Sülfat etkisi çimento harçlar nda genle melere ve çatlaklara yol açan ba l ca problemlerden biridir. Deniz suyunda var olan sülfat ve klorür iyonlar bu problemin sebeplerindendir. Bu çal mada, 5 tip çimento ve 3 farkl su/çimento oran ile üretilen deney örneklerinin slanma-kuruma çevrimli deniz suyunda ve 50000-ppm sodyum sülfat çözeltisinde bekletilmesi sonras elde edilen mekanik ve kal c l k özellikleri yer almaktad r. Prizmatik örneklerle e ilme dayan m , bas nç dayan m , klorür miktar tayini, k lcal yolla su emme ve toplam su emme deneyleri yap lm t r. ASTM C 1012 standard na göre, 50000-ppm sodyum sülfat çözeltisinde bekletilen harç çubuklar n n komparatörle boy de i imleri ölçülmü tür. Silindirik örneklerle klor geçirimlilik deneyi yap lm t r. Yüksek sülfat konsantrasyonunda bekletilen örneklerin mekanik ve kal c l k özelliklerinin standart deney örneklerine göre, genellikle azald görülmü tür. Mineral katk içeren çimentolarla haz rlanan örneklerin Portland çimentosuyla haz rlanan örneklerden her ko ulda daha iyi performans gösterdi i görülmü tür.
Anahtar sözcükler: Farkl çimento tipleri, sülfat etkisi, deniz suyu, kal c l k,
mekanik özellikler, k lcal yolla su emme, toplam su emme, boy de i imi, klor geçirimlilik.
SEA WATER EFFECT ON THE MECHANICAL AND DURABILITY PROPERTIES OF DIFFERENT TYPES OF CEMENT MORTARS
ABSTRACT
Sulfate attack, which causes expansion and cracking on cement mortars, is one of the major problems. Sulfate and chloride ions in the sea water causes destruction of mortars. In this study, mechanical and durability properties of specimens, which include five types of cements and three different water/cement ratios, were investigated after exposure to seawater and 50000-ppm sodium sulfate solution. Flexural and compressive strength, chloride amount, capillary suction of water, total absorption were determined after exposure by prismatic specimens. Length changes of mortar bars immersed in 50000-ppm sodium sulfate solution were determined according to ASTM C 1012. Chloride-ion penetration tests of cylindrical specimens were done. Durability and mechanical properties of specimens exposed to high sulfate concentration were underdeveloped compared to standard specimens. Specimens, which include mineral additive cement, exhibited better performance than normal portland cement in every conditions.
Keywords: Different cement types, sulfate attack, sea water, durability, mechanical
properties, capillary suction of water, total absorption, length change of mortar bars, chloride ion penetration.
Ç NDEK LER
Sayfa
YÜKSEK L8SANS TEZ8 SINAV SONUÇ FORMU………..ii
TEHEKKÜR………iii
ÖZ………....iv
ABSTRACT……….v
BÖLÜM B R – G R :………1
BÖLÜM K - BETON VE Ç MENTO HARÇLARINDA KALICILIK……….3
2.1 Betonun ve Çimento Harc n n Bozulmas na Sebep Olan Etkenler………3
2.2 Betonun ve Çimento Harc n n Üretiminde ve Küründe Kullan lacak Suyun Kalitesi……….7
2.3 Beton Kar m nda ve Çimento Harc nda Deniz Suyu Kullan lmas n n Beton Özelliklerine Etkisi………...8
2.4 Deniz Suyu Etkisindeki Betonlar……….10
2.4.1 Teorik Görü ler ……….15
2.4.2 Geçmi Olaylardan Ç kar lan Dersler ………17
2.4.2.1 Geçirgenlik ……….17
2.4.2.2 Hasar n Tipi ve Hiddeti ………..18
2.4.2.3 Gömülü Çeli in Korozyonu………...19
2.4.3 Islanma-Kuruma Etkisindeki Betonlar……….21
2.4.3.1 Islanma-Kuruma Çevrimi Hasar na Kar Önlemler………24
2.5 Sülfat Etkisi………...25
2.5.1 Sülfat Sald r s Kar s nda Betonda Yer Alan Reaksiyonlar n Mekanizmas ……….28
2.5.2 Sodyum Sülfat n ve Magnezyum Sülfat n Etkilerinin Kar la t r lmas …...31
2.5.3 Suda ve Toprakta Yer Alan Sülfat Konsantrasyonunun Sülfat Sald r s n n H z na Etkisi………..32
2.5.4 Sülfat Sald r s n Azalt c Önlemler……….35
2.5.4.1 Betonun “Geçirimsiz” Olmas n n Etkisi………..35
2.5.4.2 Çimento Tipinin Etkisi……….36
2.5.4.2.1 Portland Çimentosu ve Özellikleri………36
C3S ve C2S………...37
C3A………..37
C4AF………39
2.5.4.2.2 Kimyasal Kompozisyon………40
2.5.4.2.3 8ncelik………...41
2.5.4.2.4 Kalsiyum Sülfat n Miktar ve Formu………41
2.5.4.2.5 Alkali Etkisi………..43
2.5.4.3 8nce Taneli Puzolanik Katk Maddelerinin Etkisi………45
2.6 Puzolanlar n Sülfat Sald r s na Kar Kullan m ………..46
2.6.1 Puzolan……….46
2.6.1.1 Do al Puzolanlar………..46
2.6.1.1.1 Volkanik Kökenli Puzolanlar………...47
2.6.1.1.2 Pi irilmi Kil ve Heyl………48
2.6.1.1.3 Diatomlu Topraklar………...48
2.6.1.2 Yapay Puzolanlar………..48
2.6.1.2.1 Uçucu Kül……….49
Uçucu Küllerin Beton Özelliklerine Etkileri………...50
I. Beton Kar m n n Su 8htiyac ………...50
II. 8 lenebilme………51
III. Priz Süresi……….51
IV. Hidratasyon Is s ………52
V. Terleme……….52
VI. Dayan m………52
VII. Betonun Su Geçirimlili i………..52
VIII. Sülfatlara Dayan kl l k ve Alkali-Agrega Reaksiyonu………52
IX. Betonun Ekonomikli i………..53
Silis Duman n n Betonun Dayan kl l na Olan Etkileri……55
I. Geçirgenlik………55
II. Zararl Kimyasal Maddeler ve Sülfatlara Kar Direnç………55
2.6.1.2.3 Granüle Yüksek F r n Cürufu………...57
Klinker Özellikleri ve Cüruf 8nceli inin Etkileri………57
Fiziksel Özellikler………...58
Dayan m Özellikleri………58
Dayan kl l k Özellikleri………...59
I. Sülfat Etkisine Dayan kl l k………...59
II. Klor Etkisine Dayan kl l k……….60
III. Deniz Suyu Etkisine Dayan kl l k……….61
BÖLÜM ÜÇ – L TERATÜR ARA:TIRMASI……….64
3.1 Deniz Suyu ve Sülfat Etkisi ile 8lgili Yap lan Çal malar………64
3.2 K lcal Yolla Su Emme ve A rl k De i imiyle 8lgili Yap lan Çal malar…...77
3.3 Klor 8yon Geçirgenli i ile 8lgili Yap lan Çal malar………...81
3.4 Klor 8 leme Derinli i ve Mekanik Özelliklerin Ölçümü ile 8lgili Yap lan Çal malar………..87
BÖLÜM DÖRT – DENEYSEL ÇALI:MA………...97
4.1 Çal man n Amac ve Kapsam ………97
4.2 Malzeme Özellikleri………...100
4.2.1 Çal ma 1’de (Tez Çal mas ) kullan lan malzemelerin özellikleri…...100
4.2.1.1 Çimento………...100
4.2.1.2 Do al Kum ……….103
4.2.1.3 Su ………...104
4.2.1.4 Deniz Suyu………..104
4.2.2 Çal ma 2’de (Önceki Deneysel Çal ma) kullan lan malzemelerin özellikleri……….105
4.2.2.1 Çimento………...105
4.2.2.2 Do al Kum ……….109
4.2.2.3 Su ………...109
4.2.2.4 Deniz Suyu………..109
4.3 Standart Deney Yöntemleri………110
4.3.1 Prizmatik Harç Örneklerinin E ilmede Çekme Dayan m n n ve Bas nç Dayan m n n Elde Edilmesi (ASTM C 348; ASTM C349)……….110
4.3.2 Sülfat Çözeltisine Maruz Kalan Hidrolik Çimento Harçlar n n Boy De i imleri için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1012)………...112
4.3.3 Hidrolik Çimento Harçlar nda K lcal Yolla Su Emme H z n n Hesaplanmas için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1585) ve Geçirimlilik……….112
4.3.4 Sertle mi Betonda Özgül A rl k, Su Emme ve Bo luk Oran Tayin Metodu (TS 3624)………..113
4.3.5 Klor 8yonu Geçirgenli inin Elektrik Ak m ile Tayini için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1202)………115
4.3.6 Beton Agregalar nda Klorür Miktar Tayini Metodu (TS 3732)………117
4.3.7 Hidrolik Çimentolar n Performans Özellikleri için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1157)………120
4.4 Deney Yöntemlerinin Çal maya Uyarlanmas ………..121
4.4.1 Prizmatik Harç Örneklerinin E ilmede Çekme Dayan m n n (ASTM C 348) ve Bas nç Dayan m n n (ASTM C 349) Elde Edilmesi………...121
4.4.2 Sülfat Çözeltisine Maruz Kalan Hidrolik Çimento Harçlar n n Boy De i imleri için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1012)………...122
4.4.3 Hidrolik Çimento Harçlar nda K lcal Yolla Su Emme H z n n Hesaplanmas için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1585)………...122
4.4.4 Sertle mi Betonun “Su Emme” Miktar n n Tayini (TS 3624)………..123
4.4.5 Klor 8yonu Geçirgenli inin Elektrik Ak m ile Tayini için Standart Deney Yöntemi (ASTM C 1202)………123
4.4.6 Beton Agregalar nda Klorür Miktar Tayini Metodu (TS 3732)………124
4.5 Kar mlar n Haz rlanmas ve Örneklerin Kürü……….124
4.5.2 Çal ma 2’de kar mlar n haz rlanmas ve örneklerin kürü…………..128
BÖLÜM BE: - BULGULAR VE TARTI:MA………132
5.1 “Çal ma 1”in (Tez Çal mas ) Bulgular ………..132
5.2 “Çal ma 2”nin (Önceki Deneysel Çal ma) Bulgular ……….205
BÖLÜM ALTI - SONUÇLAR VE ÖNER LER………..218
KAYNAKLAR………227
BÖLÜM B R G R :
Çevremizde kullan lan birçok yap n n temel malzemesi olan beton, kullan mda oldu u süre içerisinde de i ik nedenlerle bozulmalara u rar. Bu bozulmalar betonun kimyasal, fiziksel veya fiziko-kimyasal etkilere maruz kalmas ndan dolay meydana gelmektedir. Kimyasal etkilere maruz kalan betonlarda, içeri s zan sularda bulunan sülfat, asit ve bu gibi zararl maddeler beton içerisindeki bile enlerle reaksiyona girerek, sertle mi betonun bozulup hasar görmesine neden olurlar. Sülfat sald r s çimento harçlar nda ve betonlarda genle melere ve çatlaklara yol açan ba l ca problemlerden biridir. Deniz suyunda da var olan sülfat ve klor iyonlar , harç, beton ve donat çeli inde bozulmalara yol açar. (Baradan, Yaz c ve Ün, 2002).
Kimyasal sald r lar sonucu betonda geçirimlilik artar, çatlama ve dökülmelerle birlikte, beton dayan m n kaybeder. Betonda kar la lan en önemli kimyasal etkiler sülfat, asit ve alkali sald r lar sonucu meydana gelir. Ayr ca deniz suyu ve tuz etkileri de beton üzerinde önemli sorunlar olu tururlar. Bu y prat c reaksiyonlar n ço unda çimentodaki C3A içeri inin olumsuz etkisi vard r. Çünkü çimento içinde C3A varl yla olu an baz yar kararl yap lar, ortama kimyasal maddelerin girmesiyle bozulur ve genle en veya beton bünyesinden uzakla an yeni yap lar olu ur (Baradan ve di er., 2002).
Betonlar n kimyasal etkilere dayan kl l için geçirimsiz ve dü ük su/çimento oranlar ile üretilmesinin yan s ra özel tip çimento (de i ik puzolan katk l ) kullan m nda fayda vard r (Baradan ve di er, 2002).
Bu çal mada, de i ik çimento tipleriyle üretilen deney örneklerinin slanma-kuruma çevrimli deniz suyunda ve 50000 ppm sodyum sülfat çözeltisinde bekletilmesi sonras elde edilen mekanik ve durabilite özellikleri yer almaktad r. Sülfat etkisinin varl , örneklerin bas nç dayan m nda meydana gelen azalmayla belirlenmi tir. Deneylerde 5 tip çimento ve 3 farkl su/çimento oran kullan lm t r. Çimento tipi olarak CEM I 42,5 R, CEM II/A-M (P-W) 42,5 R, CEM II/B-M (P-W)
32,5 R, CEM II/A-W 52,5 N ve CEM III/A 42,5 N kullan lm t r. Çimento, do al kum ve ehir ebeke suyuyla haz rlanan harçlar 40x40x160 mm, 25x25x285 mm boyutlar ndaki prizmatik ve 100/50 mm boyutundaki silindir kal plara dökülmü tür. Elde edilen örnekler üzerinde bas nç ve e ilme dayan m deneyleri, klorür miktar tayini, k lcal yolla su emme ve toplam su emme deneyleri, komparatörle boy de i imi ölçümleri ve klor iyon geçirgenli i deneyi yap lm t r.
Deneylerden elde edilen sonuçlara göre, mineral katk içeren çimentolarla haz rlanan örneklerin Portland çimentosuyla haz rlanan örneklerden her ko ulda daha iyi performans gösterdi i görülmü tür. Artan su/çimento oran genle melerin artmas na sebep olmaktad r. 0,7 su/çimento oran nda en az genle me gösteren örnek tipi CEM III/A 42,5 çimentosuyla üretilenler olmu tur. Ayr ca, artan su/çimento oran n n, örnek yap s ndaki bo luklar n artmas na neden olarak e ilme ve bas nç dayan mlar n dü ürdü ü saptanm t r.
K lcal yolla su emme miktarlar su/çimento oran artt kça art göstermi tir. Kirece doygun suda kür edilmi 350 günlük örneklerin k lcal yolla su emme miktarlar n n 28 günlük örneklerden daha fazla olmas sebebiyle 350 günlük örneklerin k lcall k katsay lar daha büyüktür. Kirece doygun suda bekletilen örneklerin bas nç dayan mlar ile k lcall k katsay lar aras nda do ru orant oldu u saptanm t r. K lcal su emme miktarlar deniz suyunda bekletilen örneklerde, t kanan gözenekler nedeniyle, kirece doygun su kürüne k yasla azalm t r.
Örneklerin toplam su emme miktarlar , su/çimento oran artt kça art göstermi tir. Deniz suyundaki tuz kristallerinin örnek gözeneklerini t kamas sonucu deniz suyunda bekletilen 350 günlük örneklerin, kirece doygun suda bekletilen ayn ya taki örneklerden daha az su emme miktar na sahip oldu u görülmü tür.
Ayr ca, mineral katk l çimentolarla üretilen tüm örneklerin genellikle her ko ulda CEM I 42,5 çimentosuyla üretilenlerden daha az klor geçirimlilik de erine sahip oldu u görülmü tür.
BÖLÜM K
BETON VE Ç MENTO HARÇLARINDA KALICILIK 2.1 Betonun ve Çimento Harc6n6n Bozulmas6na Sebep Olan Etkenler
Yap tasar m nda yap n n servis ömrü mutlaka göz önüne al nmal d r. Yap lar n yeterli dayan ma sahip olmas n n yan nda verimli bir kal c l k özelli ini de göstermesi gerekir. Servis ömrü süresince yap çe itli çevresel etkiler alt nda kalmaktad r. Günümüzde en yayg n kullan lan yap malzemesi olan beton, servis ömrü boyunca d kuvvetlerin ve çe itli çevresel etkilerin alt ndad r. Bunlar: fiziksel, kimyasal veya fiziko-kimyasal ve mekanik etkilerdir (Hengül, Ta demir, Yüceer ve Ereno lu, 2003). Uygulamada beton, fiziksel ve kimyasal birçok etkiye tekrarl olarak maruz kalabilmekte ve bu etkiler bir di erinin geli imini h zland rabilmektedir (Baradan ve di er., 2002). Örne in, yüzey a nmas ve çatlaklar sebebiyle olu an kütle kayb , betonun kimyasal bozulumuna yol açan geçirgenli i artt r r (Mehta ve Monteiro, 2005). Benzer ekilde betonun kimyasal süreçlerle bozulmas sonucu gözeneklili inin artmas , a nma gibi fiziksel etkilere dayan kl l n büyük ölçüde azaltabilmektedir (Baradan ve di er., 2002). Örne in, çimento hamuru bile enlerinin, su ya da asidik s v larla y kanmas , betonun gözeneklili ini artt r r. Bu durum, betonu a nma ve erozyona kar savunmas z b rak r (Mehta ve Monteiro, 2005).
Mehta ve Gerwick, betonun fiziksel bozulumuna sebep olan etkenleri iki kategoride gruplam t r: (a) yüzey a nmas nedeniyle olu an kütle kayb , erozyon ve kavitasyon; (b) normal s cakl k ve nem ko ullar nda olu an çatlaklar, tuzun gözeneklerde kristalize olmas , yap sal yükler ile donma ve yang n gibi de i ik s cakl klara maruz kalma durumlar d r (Mehta ve Monteiro, 2005).
Hekil 2.1’de betonu y pratan fiziksel etkiler bir arada gösterilmi tir (Baradan ve di er., 2002).
Hekil 2.1 Betonun ve çimento harc n n fiziksel nedenlerle bozulmas (Baradan ve di er, 2002)
Betonun kimyasal reaksiyonlar sonucu zamanla bozulmas sürecinde, zararl maddelerin (iyon veya molekül) ço unlukla çevreden beton bünyesine ta n m söz konusudur. Baz hallerde zararl maddeler betonun kendi bünyesinden de kaynaklanabilir. Bu durumda dahi zararl maddeler reaksiyona girecekleri yere ta n rlar. Madde transferi olmad takdirde zararl reaksiyonlar geli emez. Dolay s yla beton bünyesinde kimyasal reaksiyonlar n olu mas için ön ko ul, ta nmay sa layan su veya su buhar n n varl d r. Zararl maddeler ve betonun reaktif bile enleri aras ndaki reaksiyon gerekli ortam olu unca hemen ba lar. Ancak genelde, beton bünyesi içinde veya yüzeyden içeriye ta n m h z oldukça yava oldu undan, baz reaksiyonlar n zararl etkileri y llar sonra ortaya ç kabilir (Baradan ve di er., 2002).
Betonun bozulmas na yol açan kimyasal reaksiyonlar üç grupta toplanabilir:
I. Grup reaksiyonlar dü ük sertlikteki sular n çimento hidrate bile enlerini çözmesi ve y kayarak beton bünyesinden uzakla t rmas eklinde geli ir (Baradan ve di er., 2002; Mehta ve Monteiro, 2005).
Betonu ve Çimento Harc n Y pratan Fiziksel Etkiler
Kütle Kayb na Yol Açanlar
• A nma
• Erozyon
• Kavitasyon
Çatlamaya Yol Açanlar
• Islanma-kuruma
• Donma-çözülme
• Boy ve hacim de i imleri
• Yüksek s cakl klar ve yang n
• A r yükleme ve darbe etkisi
• Tekrarl yükleme sonucu yorulma
• Buz çözücü tuzlar
II. Grup reaksiyonlar agresif s v lar n hidrate çimento bile enlerini çözmesidir. Reaksiyon ürünleri ya y kanarak uzakla t r l r veya suda çözünmeyen yeni bir yap olu turur. Asitlerin ve Mg2+ iyonu içeren sular n olu turduklar hasarlar bu tür reaksiyonlara örnektir (Baradan ve di er., 2002; Mehta ve Monteiro, 2005).
III. Grup reaksiyonlar genle en ürünler olu turarak betonda hasara yol açarlar. Sülfat etkisi, MgO ve CaO gibi çimento bile enlerinin hidratasyonlar , alkali-silika reaksiyonu (ASR), beton içine gömülü çelik donat n n korozyonu bu tür bozulmalar n en tipik örneklerdir (Baradan ve di er., 2002; Mehta ve Monteiro, 2005).
Betonda geli ebilen kimyasal etkilenme mekanizmalar Hekil 2.2’de bir arada verilmektedir.
Hekil 2.2 Betonun ve çimento harc n n bozulmas na yol açan kimyasal reaksiyon türleri (Baradan ve di er., 2002)
Betonun ve Çimento Harc n n Kimyasal Reaksiyonlarla Bozulmas
I. GRUP Sertle mi çimento bile enlerinin y kanarak
uzakla mas na yol açan reaksiyonlar II. GRUP Agresif s v larla sertle mi çimento bile enleri aras nda iyon de i tirme reaksiyonlar III. GRUP Genle en ürünler olu turan reaksiyonlar Ca++ iyonlar n n çözünebilen ürünler olu turarak ayr lmalar Ca++ iyonlar n n çözünmeyen ve genle me yapmayan ürünler olu turarak ayr lmalar CSH içindeki Ca++ iyonlar n n Mg2+ iyonlar yla yer de i tirerek ayr lmalar Sülfat etkisi, DEF, Alkali silika reaksiyonu, CaO, MgO gecikmi hidratasyonu , donat korozyonu Çatlama, dökülme, kapak Gözeneklili in ve geçirimlili in artmas
Dayan m ve rijitlik kayb
2.2 Betonun ve Çimento Harc6n6n Üretiminde ve Küründe Kullan6lacak Suyun Kalitesi
Beton imalinde kullan lan karma suyunun kalitesi, betonun priz süresini, dayan m kazanma h z n ve donat n n korozyona kar korunmas n etkileyebilir. Kalitesi bilinmeyen bir suyun, beton imali için karma suyu olarak uygunlu unun tayininde, suyun bile imi ve imal edilecek betonun kullan m yeri dikkate al nmal d r. Beton imalinde kullan lan suyun uygunlu u, genellikle kayna na ba l d r. Sular, içilebilen sular, beton endüstrisindeki i lemlerden geri kazan lan sular, yeralt kaynaklar ndan ç kan sular, tabiî yüzey sular ve endüstriyel at k sular, deniz suyu ve ac göl sular , kanalizasyon (lâ m) sular eklinde tiplere ayr labilir. 8çme suyu ebekesinden al nan suyun, bu standartta verilen özellikleri sa lad kabul edilir. Suyun, TS EN 196-21’e göre deney yap larak tayin edilen ve Cl- olarak ifade edilen klorür içeri i, Tablo 2.1’de verilen seviyeyi geçmemelidir. Ancak, betonun toplam klorür içeri inin, belirlenen beton s n f için TS EN 206–1:2002’de yer alan Madde 5.2.7’den (Tablo 4.10) seçilen en büyük de eri geçmedi inin gösterilmesi halinde, Tablo 2.1’de verilenlerden daha yüksek klorür içeri ine izin verilebilir (TS EN 1008).
Tablo 2.1 Karma suyunun azami klorür muhtevas (TS EN 1008)
Karma suyunun
kullan laca beton cinsi Azami klorür içeri i mg/L
Deney i lemi
Öngerilmeli beton veya
erbet 500
8çerisinde, donat veya
di er metal bulunan beton 1000 8çerisinde, donat veya
di er metal bulunmayan beton
4500
TS EN 196-21
Suyun, TS-EN 196-2’ye göre deney yap larak tayin edilen ve SO42- olarak ifade edilen sülfat içeri i 2000 mg/L’yi geçmemelidir (TS EN 1008).
Deneye tâbi tutularak, uygunlu u ara t r lan su ile yap lan beton numunelerde elde edilen priz ba lang ç süresi, bir saatten daha az olmamal ve dam t k su veya deiyonize su ile yap lan beton numunelerde elde edilen priz ba lang ç süresine göre % 25’ten daha fazla sapma göstermemelidir. Priz biti süresi ise 12 saatten daha uzun olmamal ve dam t k su veya deiyonize su ile yap lan beton numunelerde elde edilen priz sona erme süresine göre % 25’ten daha fazla sapma göstermemelidir. Uygunlu u ara t r lan su ile yap lan beton veya harç numunelerin 7 günlük ortalama bas nç dayan m , ayn ya ta deneye tâbi tutulan dam t k su veya deiyonize su ile haz rlanm numune bas nç dayan m n n %90’ ndan daha küçük olmamal d r (TS EN 1008).
Betonun kürü için kullan lacak su, sertle mi betonda hacim de i ikli ine yol açacak veya betonun yüzeyinde lekeler olu turabilecek türde ve miktarda yabanc maddeler içermemelidir. Türk standartlar nda ve ASTM’de, betonda kür suyu olarak kullan lacak suyun kalitesine dair de erler verilmemektedir. ABD’deki baz standartlar, betonun kür i leminde kullan lacak suyun beton yüzeyinde leke olu turup olu turmayaca n n ara t r labilmesi için a a daki yöntemi belirtmektedir: Çimento harc ndan veya alç dan, bir yüzü, üzerine dökülen suyu tutabilecek kadar konkav olan numuneler haz rlanmaktad r. Bu numunelerin üzerindeki çukura su dökülmekte ve merceklerle veya s cakl k veren lambalarla bu su buharla t r lmaktad r. Numunelerin yüzeyindeki saf suyun ve betonun kürü için kullan lacak üpheli suyun buharla ma sonucu b rakacaklar lekeler, gözle, kar la t r larak incelenmekte, bak m suyunun uygun kalitede olup olmad na karar verilmektedir (Erdo an, 2003).
2.3 Beton Kar606m6nda ve Çimento Harc6nda Deniz Suyu Kullan6lmas6n6n Beton Özelliklerine Etkisi
Deniz sular de i ik türlerde ve miktarlarda yabanc madde içermektedir (Tablo 2.2 ve 2.3).
Tablo 2.2 Deniz sular ndaki iyonlar, g/lt (Erdo an, 2003)
8yon Akdeniz Karadeniz Dünya Ortalamas
Na 11,56 4,90 11,00 K 0,42 0,23 0,40 Mg 1,78 0,64 1,33 Ca 0,47 0,24 0,43 Cl 21,38 9,50 19,80 SO4 3,06 1,36 2,76
Tablo 2.3 Deniz sular ndaki tuzlar, g/lt (Erdo an, 2003)
Tuz Akdeniz Tipik Okyanus
NaCl 30,0 26,0
MgCl2 4,6 3,2
MgSO4 2,3 2,2
CaSO4 1,4 1,3
CaCl2 0,7 0,6
Tablo 2.2 ve Tablo 2.3’ten görülebilece i gibi, deniz sular nda de i ik türlerde ve miktarlarda tuzlar yer almaktad r. Deniz sular n n içerisindeki sülfatlar n betonda yaratt y prat c etki, topraktaki ve yeralt sular n n içerisindeki sülfatlar n etkisi kadar iddetli olmamaktad r. Deniz sular n n içerisinde klorür iyonunun bulunuyor olmas , sülfat reaksiyonlar sonucunda ortaya ç kan ürünlerin daha az genle me yaratmas na neden olmaktad r. Zira klorür, sülfat sald r s sonunda betonun içerisinde olu an alç ta n n ve etrenjitin bir miktar n n çözünerek, betonun yüzeyine ç kmas na yol açmaktad r. Böylece, alç ta n n ve etrenjitin, sertle mi betonun içerisinde genle me-yarat c etkileri birazc k azalm olmaktad r (Erdo an, 2003).
Deniz sular n n betonarme yap lara esas zarar , bu tür sularda bulunan klordan kaynaklanmaktad r. Deniz suyundaki klor, betonun içerisindeki demir donat lar n korozyonunu (paslanmas n ) h zland rmakta, betonun parçalanmas na yol açabilmektedir (Erdo an, 2003).
Deniz suyundaki tuzlar n yakla k %78’ini sodyum klorür ve %10 kadar n magnezyum klorür olu turmaktad r (Erdo an, 2003)
Deniz suyunun beton kar m nda kullan lmas n n beton özelliklerine etkisinin ara t r lmas 1920’li y llarda Abrams taraf ndan ba lat lm ve daha sonralar bu konuda çok say da ara t rma yap lm t r. De i ik ara t rmac lar n bulgular biraz farkl l k göstermekle birlikte, çok say da ara t rmac taraf ndan ileri sürülen ortak görü u ekilde özetlenebilmektedir:
(1) Beton kar m nda deniz suyu kullan lmas , betonun prizini h zland rmakta ve hatta ilk günlerdeki dayan m n birazc k artt rabilmektedir. (Bu durum, sudaki klorürlerden kaynaklanmaktad r.) Ancak, betonun nihai dayan m nda %10-%20 kadar azalma olmaktad r (Erdo an, 2003).
(2) Deniz suyunun yol açt bir ba ka çok önemli olumsuzluk, içerdikleri yüksek miktardaki klorür iyonu nedeniyle, betonarme yap lardaki betonun içerisindeki demir donat lar n korozyonunu artt rmas d r. O nedenle, öngerilmeli betonlar n yap m nda kesinlikle deniz suyu kullan lmamal d r. Hatta betonarme yap lar n betonlar n n üretiminde de deniz suyu kullan m ndan olabildi i kadar kaç n lmal d r (Erdo an, 2003).
(3) Deniz sular ile yap lan betonlar, ayr ca, daha çok çiçeklenme göstermekte, beton yüzeyinin görünümü bozulmakta, betonun dayan kl l azalmaktad r (Erdo an, 2003).
2.4 Deniz Suyu Etkisindeki Betonlar
Deniz ortam nda bulunan betonarme elemanlar de i ik fiziksel ve kimyasal etkilere maruzdur. Bu etkiler Hekil 2.3’te gösterilmektedir (Baradan ve di er., 2002).
Hekil 2.3 Deniz ortam nda bulunan yap lar n maruz kalabilecekleri y prat c etkiler (Baradan ve di er., 2002)
Yap n n veya yap eleman n n yukar daki etkilerden herhangi birine veya hepsine maruz kalmas ve etkinin iddeti deniz-seviyesine göre bulundu u konuma ba l d r. Genel olarak en çok hasar n slanma-kuruma bölgesinde bulunan elemanlarda olu tu u söylenebilir (Baradan ve di er, 2002).
Klorürler beton bünyesine CO2 gibi difüzyon yoluyla girerler. Beton içinde ilerleme h zlar karbonatla ma olay ndakine benzer olarak zaman n karekökü ile ili kilidir. Klorür iyonlar beton içine çe itli yollardan girebilir. Bunlar aras nda, yüksek miktarda klorür içeren agregalar n kullan lmas , CaCl2içeren priz h zland r c ya da su azalt c kimyasal katk maddelerinin kullan lmas , klorür içeren mineral katk lar n kullan lmas , deniz suyunun karma suyu olarak beton üretiminde kullan lmas olarak say labilir. Klorürlerin beton içine ta n m kapiler emme, suyla birlikte ilerleme ve difüzyon süreçleriyle gerçekle ir. Islanma-kuruma bu süreçlerin geli imini büyük oranda h zland r r. Hekil 2.4’te görüldü ü gibi, zamanla beton içinde, yüzeyden derinlere inildikçe azalan bir klorür iyonu da l m gözlenir. Tuzlu
Deniz Suyu Etkisi
Fiziksel
-A nd rma etkisi
(Dalgalar n ve suda yüzen parçac klar n)
-Donma-çözülme
-Islanma-kuruma (Tuzlar n kristalizasyon bas nc ) -Beton içindeki kirecin y kanarak uzakla mas
Biyolojik Kimyasal -Klorürlerden kaynaklanan donat korozyonu -Sülfat etkisi -Magnezyum iyonlar n n etkisi
-Karbonik asit etkisi
Betonun geçirimlili inin artmas
suyun kapiler yolla emilimi, difüzyon periyotlar , slanma-kuruma döngüsü Cl -konsantrasyonunu ve Cl-i leme derinli ini artt r r (Baradan ve di er., 2002).
Hekil 2.4 Klor iyonlar n n betona giri i (Baradan ve di er., 2002)
Beton klorür iyonlar n n bir k sm n fiziksel ve kimyasal olarak ba layabilmektedir. Bu nedenle, beton içindeki klorür iyonlar ba l ve serbest klorür olarak ikiye ayr l r. Kimyasal ba lama s ras nda çimento bile enleri ve klorürler aras ndaki reaksiyondan Friedel tuzu ad verilen yeni bir ürün meydana gelir. Fiziksel ba lama jel bo luklar nda klorür iyonlar n n adsorbe edilmesiyle gerçekle ir. Donat n n korozyonu aç s ndan suda çözünen serbest klorür miktar önemlidir. Ba l ve serbest klorür iyonlar aras nda normal artlarda beton içinde bir dengenin te ekkül etti ini, karbonatla ma gibi d sebeplerle, kimyasal olarak ba l klorürlerin de serbest kalarak, beton bo luk suyuna kar ma risklerinin oldu unu belirtmek gerekir (Baradan ve di er., 2002).
Birçok beton veya betonarme yap yeryüzünün yakla k % 78’ini olu turan denizlerle do rudan temas halindedir veya dolayl olarak deniz ortam ndan etkilenmektedir (Yaz c , Türkel, Yi iter ve Ayd n, 2003).
Deniz ortam nda bulunan betonarme yap lar, servis ömürleri boyunca fiziksel ve kimyasal kökenli birçok y prat c etkiye ayn anda ve tekrarl olarak maruz kal rlar. Bu fiziksel etkiler aras nda, a nma, slanma-kuruma ve donma çözülme etkileri say labilir. Deniz suyunun içerdi i zararl iyonlar nedeniyle betonda olu turdu u
ISLANMA KURUMA Cl -PENETRASYONU Çatlaklar 0,05 25 40 60 Klorür 8çeri i (%) Y üz ey de n pe ne tr as yo n de ri nl i i (m m ) 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 80
kimyasal bozulma süreçleri ise, sülfat etkisi, magnezyum iyonu etkisi ve karbonik asit etkisi eklinde s ralanabilir. Ayr ca, klorürlerden kaynaklanan donat korozyonu, deniz ortam ndaki betonarme yap lar n servis ömürlerini belirleyen en önemli kal c l k problemi olarak kabul edilir. Yap n n bu etkilerden hangilerine maruz kalaca n ise büyük ölçüde deniz seviyesine göre konumu belirler. Ancak, en iddetli etkiye slanma-kuruma bölgesindeki yap elemanlar n n maruz kald söylenebilir (Yaz c ve di er., 2003).
Deniz suyunun beton üzerindeki kimyasal etkisi çözünmü baz tuzlar içermesinden kaynaklanmaktad r. Denizlere ve okyanuslara göre farkl l klar olsa da, tipik tuzluluk oran % 3,5 civar ndad r. Buharla man n yüksek oldu u s cak iklimlerde tuzluluk oran artmaktad r. Deniz suyunda önemli miktarlarda bulunabilen tuzlar, sodyum klorür (NaCl), magnezyum klorür (MgCl), magnezyum sülfat (MgSO4), kalsiyum sülfat (CaSO4), potasyum klorür (KCl) ve potasyum sülfat (K2SO4) olarak s ralanabilir. Deniz suyunun tipik iyon konsantrasyonuna bak ld nda 11000 mg/l Na+, 20000 mg/l Cl-, 1400 mg/l Mg+2, 2700 mg/l SO4–2, 500 mg/l kalsiyum, 400 mg/l potasyum içerdi i görülmektedir. Çimento hidratasyon ürünlerine kimyasal sald r aç s ndan bak ld nda ise deniz suyunun yüksek miktarda sülfat ve magnezyum içerdi i söylenebilir. Ayr ca, deniz suyunun önemli miktarda çözülmü oksijen ve karbondioksit içerebildi ini ve bu gazlar n yo unlu unun lokal artlara göre çok de i ken oldu unu ilave etmek gerekir. Tablo 2.4’te Ege denizinin tuzluluk oranlar ve iyon konsantrasyonlar gösterilmi tir (Yaz c ve di er., 2003).
Tablo 2.4 Ege denizinin tuzluluk oranlar ve iyon konsantrasyonlar (Yaz c ve di er., 2003) * Toplam tuzluluk yüzeyde veya az derinde yaz aylar nda ölçülen de erlerdir.
8yon Konsantrasyonlar (mg/l) Deniz Yöre Toplam
Tuzluluk (%)*
Mg+2 SO4-2 Cl- Na+ Ca+
Ege Ayval k 3,8 1400 2830 18770 11770 560
8çerdi i yüksek sülfat iyonu konsantrasyonu ile deniz suyu beton üzerinde sülfat etkisi yapar. C3A ve CSH ile sülfat iyonlar n n reaksiyonundan etrenjit olu ur.
Yap lan ara t rmalar klorür iyonlar n n bulundu u ortamda olu an etrenjitin genle meye yol açmad ve deniz suyunda çözüldü ünü göstermektedir. Yüksek C3A içerikli çimento kullan ld nda hasar genle me ile de il kat bile enlerin erozyona u rayarak kütleden ayr lmas yla kendini göstermektedir. Bu nedenle sülfat etkisi aç s ndan deniz suyu yüksek miktarda sülfat iyonu içermesine ra men genellikle orta iddetli etki s n f nda kabul edilir (Yaz c ve di er., 2003).
Deniz suyunun beton üzerindeki bir di er kimyasal etkisi ise magnezyum iyonlar n n kalsiyum iyonlar yla yapt a a da gösterilen yer de i tirme reaksiyonudur:
MgSO4+Ca(OH)2 CaSO4+ Mg(OH)2
Olu an Mg(OH)2 brusit ad yla da bilinir. Çökelerek yüzeydeki gözenekleri t kar ve koruyucu bir tabaka olu turarak reaksiyonun geli imini yava lat r. Ayr ca Ca(OH)2’nin CO2ile reaksiyonundan aragonit formundaki CaCO3 olu ur ve çökelir. K sa sürede olu an bu koruyucu tabakalar n kal nl 20–50 µm civar ndad r ve yap n n suya tamamen gömülü k s mlar nda görülürler. Ancak, yap n n dalgalar n a nd r c etkilerine maruz k s mlar nda bu tabakalar n uzakla mas yla reaksiyon tekrarlan r ve kütle kayb süreklilik kazan r. Betonun magnezyum tuzlar yla uzun süreli temas halinde CSH içindeki kalsiyumun da Mg iyonlar yla yer de i tirdi i görülür ki olu an magnezyum silikat hidrat n (MSH) ba lay c l k özelli i yoktur, kolayca parçalanabilir. Bu durum betonda rijitlik ve dayan m kayb na yol açar (Yaz c ve di er., 2003).
Atmosferdeki karbondioksit (CO2) gaz n n bir k sm n n su içinde kolayca çözünmesi nedeniyle do adaki tüm sular karbonik asit içerirler. Sudaki karbonik asit içeri i, kireçta n çözebilen karbondioksit miktar ile tan mlanmaktad r. Deniz suyundaki çözünmü CO2 miktar ise 35–60 mg/l civar ndad r. Genellikle, deniz suyunun pH de eri 8’in alt na dü medikçe kireçta n (CaCO3) çözmesi beklenmez. TS EN 206-1 Standard sudaki 40-100 mg/l CO2 konsantrasyonunu orta iddetteki etki s n f olarak kabul etmektedir (Yaz c ve di er., 2003).
Betonlar üzerinde deniz suyu etkisi, birkaç nedenden dolay , özel dikkat gerektirir. 8lk olarak, denizel etki alt ndaki yap lar, bir dizi fiziksel ve kimyasal bozulma i lemine maruz kal r. Bu durum, betonun kal c l k problemlerinin karma kl n n anla lmas na olanak tan r. 8kincisi, okyanuslar n dünya yüzeyinin %80’ini olu turmas nedeniyle birçok yap do rudan veya dolayl olarak deniz suyu etkisine maruz kal r. Rüzgârlar deniz suyunu k y dan birkaç mil içeriye ta yabilir. Beton ayaklar, dö emeler, dalgak ranlar ve istinat duvarlar , liman ve marinalar n yap m nda kullan l r. Kentsel alanlar kalabal ktan ve çevre kirlili inden uzak tutmak amac yla, yeni havaalanlar , enerji santralleri ve at k su uzakla t rma üniteleri in as için beton yüzer platformlar tasarlan r. Deniz sular genellikle kütlece %3,5 çözünebilen tuzlar içerir. Na+ve Cl-iyonlar n n konsantrasyonlar s ras yla, 11000 ve 20000 mg/l civar nda olmak üzere di er iyonlara göre yüksek de erlerdedir. Bununla birlikte, Mg2+ ve SO42- iyonlar s ras yla 1400 ve 2700 mg/l civar nda bulunmaktad r. Deniz suyunun pH de eri 7,5 ile 8,4 aras nda de i ir; atmosferdeki karbondioksit ile denge halinde ortalama pH de eri 8,2’dir. Dalgak ran bulunan koylarda ve gelgit olaylar n n yo un oldu u haliçlerde, deniz suyunun yüksek miktarda CO2 içermesi halinde 7,5’in alt ndaki pH de erlerine de rastlanabilir ki bu durumda deniz suyunun beton üzerinde daha fazla etkili olaca aç kt r. Denizel etkiye maruz kalan betonlar, deniz suyu bile enlerinin kimyasal etkile iminin çimento hidratasyon ürünleri üzerindeki etkisi sonucu y pranabilir. Bu etkile imler, alkali-agrega genle mesi, bir yüzü slanma, di er yüzü kurumaya maruz kalan betonun içindeki tuzlar n kristalizasyon bas nc , so uk iklimlerde donma olay , betonarme çeli inin ya da öngerilmeli elemanlar n korozyonu ve dalga hareketlerinin ya da yüzen nesnelerin sebep oldu u fiziksel erozyon olarak ortaya ç kabilir. Bu etkenlerin herhangi birinden kaynaklanan sald r , betonun geçirgenli ini artt r r. (Mehta ve Monteiro, 2005).
2.4.1 Teorik Görü ler
Deniz suyundaki sülfat ve magnezyum iyonlar n n zararl bile ikler oldu u, hidrate çimento hamurunun bile enlerine kar olu an kimyasal sald r dan anla labilir. Yeralt sular nda, sülfat iyonu konsantrasyonu 1500 mg/l’den fazla
oldu u zaman olu an sülfat sald r s “ iddetli” olarak s n fland r l r. Benzer ekilde, magnezyum iyonu konsantrasyonu 500 mg/l’yi a t zaman olu an katyon de i im reaksiyonlar , portland çimento hamurunda hasara sebep olabilir. 8lginç ekilde, deniz suyundaki istenmeyen yüksek sülfat içeri ine ra men saha çal malar unu göstermektedir: Yüksek C3A içerikli portland çimentosu kullan lm olsa bile ve çimento hamurunun maruz kald sülfat sald r s sonucunda önemli miktarlarda etrenjit olu sa bile, betondaki hasar genle me ve çatlama eklinde de il, erozyon veya kat bile enlerin kütleden uzakla mas eklinde meydana gelir. Etrenjit genle mesi, ortamdaki (OH)-iyonlar n n Cl-iyonlar ile yer de i tirmesi ile bast r l r. Bu durum, su emmeyle geli en etrenjit genle mesi için gerekli olan ortam n alkali içerikli ortam olmas n n gereklili i ile örtü ür. Deniz suyuna maruz kalan betonlarda, yüksek C3A içerikli portland çimentosu taraf ndan bask lanan etrenjitle ortak çal an sülfat genle mesinin mekanizmas na bakmaks z n, sülfat genle mesi üzerindeki klor etkisi, malzemelerin davran n n modellenmesi esnas ndaki hatay sergiler. ACI 318’e göre, deniz suyundaki sülfat genle mesi, ASTM Tip II portland çimentosu (maksimum %8 C3A) ve maksimum 0,5 su /çimento oran kullan ld nda “orta” etki s n f na dâhildir. Gerçekte bu durum, %10’a kadar C3A içeren çimentolar n, su/çimento oran n n maksimum 0,40 de erine indirilmesiyle kullan labilece ini ACI 318R-21’de belirtir. Harç ya da betondaki serbest kalsiyum hidroksit de eri, magnezyum iyonlar n içeren bir de i im reaksiyonuyla hasar yaratabilir. Bu gerçek, Vicat taraf ndan 1818 y l nda kireç-puzolan betonlar n n parçalanmas üzerine yap lan ara t rmalardan ç kar lm t r (Mehta ve Monteiro, 2005).
Deniz suyuna maruz kalan portland çimentosu harçlar ve beton kar mlar yla yap lan uzun dönemli çal malardan anla lan udur: Magnezyum iyonlar n n sald r s , brusitin beyaz tortusu veya Mg(OH)2ve magnezyum silika hidrat varl nda gerçekle ir. Yüksek oranda cüruf veya puzolan içeren iyi kür edilmi beton, sadece portland çimentosu içeren betona oranla deniz suyunda daha iyi performans gösterir. Bunun sebebi, kürden sonra ilkinin daha az serbest kalsiyum hidroksit içermesidir. Hidrate çimento hamurundaki kalsiyum hidroksit kayb , magnezyum iyonu sald r s ya da CO2 sald r s ile sonuçlan r. Çünkü deniz suyu analizleri nadiren çözünmü CO2 içerir, hidrate çimento hamurundan uzakla an kat kalsiyum hidroksit sonucu
meydana gelen beton kütle kayb potansiyeli s kl kla gözden kaç r l r (Mehta ve Monteiro, 2005).
Newport News’teki James River Köprüsü’nün kaz k duvarlar n n beton kaz k ve ba l klar nda 21 y ll k kullan m n sonras nda 1,4 milyon dolara mal olan tamirata ve kaz klar n %70’i olan 2500 adedinin de i imine ihtiyaç duyulmu tur. Benzer ekilde, 1932 y l nda New Jersey’deki Ocean City’de çak lan önceden dökülmü 750 beton kaz k, 25 y ll k servis ömrü sonunda 1957’de tamir edilmi olup baz lar 550 mm’lik orijinal boyundan 300 mm’ye indirilmi tir. Her iki durumda, malzeme kayb deniz suyunda normalden daha yüksek oranda bulunan çözünmü CO2 içeri i ile birle mi tir. Normal oranda CO2 içeren deniz suyu, geçirgen betondaki çimento ürünlerini çözmek için yeterlidir. Uzun zaman boyunca deniz suyuna maruz kalm hasarl betonlardan al nan çimento hamuru örneklerinde tomasit (kalsiyum silikakarbonat), hidrokalumit (kalsiyum karboalüminat hidrat) ve aragonit (kalsiyum karbonat)’ n varl na rastlanm t r (Mehta ve Monteiro, 2005).
2.4.2 Geçmi Olaylardan Ç kar lan Dersler
Gelecekte in a edilecek olan beton deniz yap lar için, geçmi olaylardan ders al nabilir (Mehta ve Monteiro, 2005)
2.4.2.1 Geçirgenlik
Deniz suyunun betonun içine giri i engellenmezse hidrate portland çimentosu bile enleri ile deniz suyu aras nda olu an etkile imler ciddi hasarlara sebep olur. Yeterli olmayan geçirimsizli in tipik sebepleri: yetersiz oranlanm beton kar mlar , so uk havada dökülen beton için kullan lan hava sürükleyicinin yetersizli i, verimsiz yerle tirme ve kür ko ullar , donat üzerindeki yetersiz paspay , kötü tasarlanm ve in a edilmi birle imler ve sertle mi betonun yükleme ko ullar na veya di er faktörlere ba l olarak geli en etkenler olarak s ralanabilir (Mehta ve Monteiro, 2005).
Mühendisler beton teknolojisinde zararl s v lara maruz kalan betonda geçirgenli in öneminin bilincine varm lard r. Örne in, Amerika’da buz çözücü tuzlara maruz kalan dö emeler ve garajlar, ASTM C 1202’ye göre 2000 Coulomb veya daha alt ndaki klor geçirimlili ini kar layacak özellikte in a edilmektedir (Mehta ve Monteiro, 2005).
2.4.2.2 Hasar n Tipi ve iddeti
Deniz suyuna maruz kalan, Hekil 2.5’te gösterilen betonarme silindirin gelgit seviyesinin üst k sm nda yer alan kesiti donma ve korozyon olaylar na daha aç k olacakt r. Gelgit seviyesinin en alçak ve en yüksek çizgisi aras nda yer alan kesit,
slanma-kuruma çevrimleri nedeniyle çatlak ve kabarmalara kar savunmas z olacakt r. Alkali-agrega reaksiyonu ve deniz suyu- çimento hamuru etkile imi sonucu olu an kimyasal sald r lar, beton kesitinde etkili olacakt r. Mikro-çatlaklar ve kimyasal sald r lar sonucunda zay flam beton, a nd rma etkeni ile kum, çak l ve buz etkenleri sonucu parçalara ayr lacakt r. Böylece en fazla hasar, gelgit bölgesinde olu acakt r. Di er taraftan, yap n n deniz suyuna gömülü olan k sm ise sadece deniz suyunun kimyasal sald r s na maruz kalacakt r. Çünkü yap donma s cakl klar na maruz kalmad ndan donma hasar olu maz. Oksijen yoklu u sonucunda da dikkate de er korozyon olu mayacakt r (Mehta ve Monteiro, 2005).
Çimento hamurunun yüzeyinden içine kadar, deniz suyu etkisiyle a ama kaydeden kimyasal hasar, genel bir seyir izler. CO2 sald r s sonucu aragonit ve bikarbonat olu umu, genellikle yüzeyle s n rl d r; magnezyum iyonlar n n sald r s sonucu brusit olu umuna yüzeyin alt nda rastlan r ve iç k s mda etrenjit olu umunun kan tlar ise sülfat iyonlar n n derinlere s zabilece ini gösterir (Mehta ve Monteiro, 2005).
E er beton çok geçirimli de ilse, çimento hamuruna deniz suyunun kimyasal etkisi hasara neden olmaz çünkü aragonit, brusit ve etrenjit gibi suda çözünmeyen reaksiyon ürünleri, geçirimlili i azaltmaya ve deniz suyunun beton içine s zmas na engel olmaya e ilimlidir. Bu çe it koruma etkeni, gelgit bölgesindeki dinamik yükleme ko ullar nda mümkün de ildir, çünkü bu durumda reaksiyon ürünleri olu ur olu maz dalgalarla y kan r ve uzakla r (Mehta ve Monteiro, 2005).
2.4.2.3 Gömülü Çeli in Korozyonu
Betonda gömülü çelik, çimento hamurunun alkalili i nedeniyle olu acak korozyona kar korunur. Koruma kayb ya klorürlerin varl nedeniyle veya karbonatla ma nedeniyle olabilir (Kutlu ve Demiriz, 2007). Atmosferde asit olu turan gazlar vard r. Bunlar n en önemlileri CO2 ve SO2 olup üç a amada reaksiyon gösterirler (Baradan ve di er., 2002):
1.A ama: Gazlar n betonun gözenek sistemine i lemesi, 2.A ama: Gazlar n gözenek suyu ile olu turdu u reaksiyon, CO2+ H2O \ H2CO3(Karbonik asit)
SO2+ H2O \ H2SO3(Sülfüroz asit)
3. A ama: Olu an asitlerin, gözenek suyu içinde çözünmü olan çimentonun alkali bile enleri ile reaksiyon yaparak bunlar nötr hale getirmesi,
Asit+Alkali \ Tuz+Su
En önemli reaksiyon ise basitle tirilmi olarak u ekildedir: Ca(OH)2+CO2\CaCO3+H2O
Olu an kalsiyum karbonat n pH de eri sadece 8,3’tür. pH de erinin 9,5’un alt na dü mesi halinde beton, betonarme çeli ini koruma etkinli ini kaybeder. Çelikteki pasif tabaka karars z duruma geçer. Baz ara t rmac lar ise bu durumun betonun pH de erinin 11,5 de erinin alt na dü mesiyle görülebilece ini belirtmektedir (Baradan ve di er., 2002).
Klorür iyonlar çelik donat n n korozyonu aç s ndan en zararl madde olarak kabul edilirler. Korozyon sürecine olumsuz birçok etkileri mevcuttur. Çelik donat üzerinde olu an ve korozyonun geli imini engelleyen pasif tabakan n çözünmesine yol açmalar bu etkilerden en önemlisidir. Klorür iyonlar n n donat ya ula t klar nda pasif tabakay gev ettikleri, yüzeydeki kararl tabaka ile reaksiyona girerek Fe(OH)2.FeCl2 gibi karars z klor kompleksleri olu turduklar dü ünülmektedir. Yap lan ara t rmalar, bu tür çözünebilen bile iklerin olu mas nda Cl-/(OH)-oran n n önemli bir parametre oldu unu, bu oran n 0,6 de erini a mas halinde pasif tabakada hasar n belirginle ti ini göstermektedir. Klorür iyonlar , ortam n elektrolitli ini artt rarak ve elektriksel direncini azaltarak anot-katot iyon ak n kolayla t r rlar. Böylece ak m iddetinin art na ba l olarak korozyon h z da artar. Asit karakterli olmalar ve ortam n pH de erini indirgemeleri bir di er olumsuz etkidir. Pasif tabakan n kararl l n korumas için ortam n pH de erinin 9,5-11,5’in üzerinde olmas gerekir. Klorür iyonlar metal taraf ndan O2 ve (OH)- iyonlar na k yasla çok daha kolay adsorbe edilirler. Böylece katalizör görevi görerek, anodik reaksiyonun kolayl kla olu mas n sa larlar ve demirin iyonla mas n h zland r rlar. Klorür bulunan ortamda korozyonun geli imi u formüllerle gösterilmektedir (Baradan ve di er., 2002):
Fe3+ + 3Cl-\ FeCl3
FeCl3+ 3(OH)-\ Fe(OH)3+ 3Cl
-Ortamda demir ve (OH)- iyonlar n n bol miktarda bulunmas nedeniyle klorür iyonlar reaksiyon sonucu sürekli yenilenmekte ve donat da tahribat devaml l k arz etmektedir (Baradan ve di er., 2002).
Gömülü çeli in korozyonu, deniz suyuna maruz kalan betonarme ve öngermeli betonlarda olu an beton hasar n n ba l ca nedenidir. Fakat dü ük geçirgenli e sahip betonda hasar, çatlaman n ba l ca sebebi olarak ortaya ç kmaz. Çatlama-korozyon etkile imi belli bir rota izler, çünkü korozyon h z , Hekil 2.6’da gösterildi i gibi katot-anot bölgesine ba l d r, çeli in korozyonu ile birlikte olu an belirgin genle me, çelik yüzeyinde yeterli miktarda oksijen bulunana kadar ortaya ç kmaz. Ve çelik-çimento hamuru arayüzeyini saran beton kaplamas geçirimsiz kald sürece de ortaya ç kmayacakt r. Gözenekler ve mikro-çatlaklar arayüz bölgesinde daha önceden varolmaktad r, korozyondan farkl olaylarla bunlar n geni lemesi kaç n lmazd r. Korozyon için gereken ko ullar bir kez sa land nda, çatlama-korozyon ötesi-çatlama döngüsü ba lar ve bu döngü yap da önemli hasara neden olur (Mehta ve Monteiro, 2005).
Hekil 2.6 Betonarme donat s nda klorür iyonlar n n yol açt oyulma tarz korozyon (Baradan ve di er, 2002)
2.4.3 Islanma-Kuruma Etkisindeki Betonlar
Deniz suyu etkisine maruz kalan betonlar, sülfat sald r s n n yan s ra, gözeneklerinde çökelen (biriken) tuz kristallerinin yaratt bas nç nedeniyle de genle ip, y pranabilmektedirler. Sertle mi betonun gözeneklerinde tuz birikmesi, betonun içerisine giren deniz suyunun kapiler hareketle yukar ç kmas ve buharla mas sonucunda olu maktad r. Bu olay, betonun, su seviyesi üzerinde kalan bölgelerinde geli mektedir. Deniz sular n n gel-git hareketiyle yükselip alçalmas
sonucunda beton yüzeyinin bir bölümü, slanma-kuruma devirlerinin etkisinde kalmaktad r. Bu tür slanma-kuruma durumu ile kar kar ya kalan beton devaml olarak su içerisinde bulunan betona göre daha çok hasar görmektedir. Öte yandan, deniz suyunun içerisinde bulunan magnezyum sülfat, betondaki ba lay c özellikteki kalsiyum-silika-hidrat jelinin çözünmesine neden olmakla birlikte, bu çözünme oldukça yava tempoda yer almaktad r. O nedenle, gözeneklerde biriken magnezyum sülfat kristalleri, gözeneklerin bir ölçüde t kanmas na ve böylece d ar dan daha az su s zabilmesine yol açmaktad r (Erdo an, 2003).
8stinat duvar n n bir yüzü veya geçirgen bir dö eme, tuz çözeltisiyle temas halindeyken ve di er yüzeyler buharla man n yol açt nem kayb na maruz kal yorken, tuzlar n gözeneklerde çökelmesi sonucu olu an gerilmeler malzemeyi y prat r. Bu durumun sebebi, a r doygun tuz çözeltilerinin kristalizasyonu sonucu olu an büyük bas nçlara ba lanabilir. Tuz kristalizasyonunun sebep oldu u hasarlardan yola ç karak, Binda ve Baroni iklimsel ko ullar n hasara yol aç p açmayaca n tart m lard r. Onlara göre, hasarlar n büyük bölümü tuz kristalizasyonunun olu um yerine ba l d r. Kristalizasyona maruz kalan buharla ma h z ile tuz çözeltisinin kaynaklanma h z aras ndaki dinamik denge ile bu yer belirlenir. Buharla ma h z , kaynaklanma h z ndan azsa tuz kristalizasyonu herhangi bir hasara sebep olmaks z n d yüzeyde yer al r. Tuz çözeltisinin gözenekleraras göçü, gözeneklerin yeniden dolma h z ndan küçükse, kuruma bölgesi yüzeyin alt k sm nda olu ur. Bu ko ullardaki tuz kristalizasyonu tabaka tabaka ayr lmaya ve kabarmaya sebep olan genle meyle sonuçlan r. Sodyum Sülfat ve Magnezyum Sülfat gibi hidrate edebilen tuzlara maruz kalan gözenekli betonda gözlemlenen durum, literatürde, pullanma, ayr ma ve hidratasyon sald r s olarak tan mlan r (Mehta ve Monteiro, 2005) .
Kat , kuru tuzlar betona zarar vermezler ancak su ile birlikte bulunmalar sonucu, sertle mi çimento harc yla reaksiyona girerler. Baz killer alkali magnezyum ve kalsiyum sülfat gibi kimyasal maddeler içerir, bunlar yeralt suyuyla birle ince zararl etki ortaya ç kar. Zemin yüzeyinde olu an tuz birikintileri ço unlukla sodyum sülfatt r. Ancak magnezyum sülfata da birçok bölgede rastlan r. Na2SO4, Ca(OH)2ve
C3A ile CaSO4ise yaln zca C3A ile reaksiyona girer. Deniz suyunda da bulunabilen MgSO4, Ca(OH)2 ve C3A’n n yan s ra kalsiyum silikat hidrate (CSH) yap yla da reaksiyona girebilmektedir (Tosun, Yaz c , Yi iter, Baradan, 2006).
Reaksiyonun geli imini, sülfatl ortam n iddeti, betonun geçirimlili i, betonda kullan lan çimentonun kimyasal yap s ve suyun varl etkilemektedir. Sülfat dayan kl l n artt rmak için sülfata dayan kl çimento ile birlikte uçucu kül, yüksek f r n cürufu gibi puzolanik katk lar kullan labilir. Puzolanlar, Ca(OH)2’yi ba layarak sülfatlarla reaksiyonu önlerler ve sadece Portland çimentosu kullan m ile k yasland nda ba lay c içindeki Ca(OH)2 ve C3A oran n n azalt lmas n sa lar (Tosun ve di er., 2006).
D etkilere aç k saha ve özellikle s cak ve kurak iklimlerde sulama kanal kaplama betonlar di er zararl etkilere ek olarak slanma-kuruma çevrimleri etkisindedir. Islanma-kuruma çevrimi beton eleman n kesiti boyunca çok eksenli gerilme ve ekil de i tirme çevrimi olu mas na yol açar. Islanma veya kuruma s ras nda yakla k olarak s cakl k veya ba l nem veya su içeri i gradyan na dik do rultuda belirginle en bas nç veya çekme ve kayma gerilmeleri olu ur. Islanma-kuruma tekrarlar n n betonda olu turaca hasar, Islanma-kuruma ortam n n s cakl k ve ba l nemine, kuruma olay ndan sonra slanma uygulan rken suyun ve betonun s cakl klar na, bu s cakl klar aras ndaki farka ba l d r. Kuruma s cakl yüksek ve süresi uzun ve ba l nem az oldu unda ve kurumu beton s cakl ile slatma suyu s cakl aras ndaki fark artt kça etki iddeti ve sonuçta do urdu u tekrarl gerilme genli i artar. Betonda slanma-kuruma çevriminin (IKÇ’nin) iddeti ile genli i artan tekrarl gerilme ve ekil de i tirmeler etkir. Ayr ca betona d ar dan su ile gelen ve yap s nda da bulunan çözünür tuzlar ve kireç, su ile ta narak buharla man n oldu u d katmanlarda ve yüzeyde birikir. Kururken kristalle me ve slanma s ras nda ozmos nedeniyle iç bas nç ve i me etkisi olu abilir. Bu nedenle sürekli kuruma etkisinde kalm betonun büzülmesi IKÇ görmü betonunkinden büyük olabilir; hatta IKÇ gören betonda, toplam su içerikleri ayn olsa dahi, büzülme de il i me görülebilir. Özellikle do al ortamda bir yüzeyi zeminle temasta, di eri atmosfere aç k olan kanal kaplama betonlar nda, kanalda su bulunmad kuruma sürelerinde
zeminden gelen tuzlar özellikle kuruma etkisindeki yüzey katmanlar nda birikerek tekrar slanma s ras nda i meyi ve sülfat etkisinin iddetini artt rabilir. Kuruma s ras nda yüzey katmanlar na ta nan tuz ve kirecin bir bölümü slanma s ras nda y kanarak uzakla r. Islanma kirece doygun su ile olursa y kanma etkisi azalabilir (Köksal, Güllü ve Güner, 1996).
2.4.3.1 Islanma-Kuruma Çevrimi Hasar na Kar' Önlemler
Islanma-kuruma çevriminin yap n n toplam y ll k maliyetine etkisini azaltmak için al nabilecek önlemler aras nda: betonu yal tarak, slanma-kuruma sürecini durdurmak veya iddetini azaltmak; betonun zararl düzeyde kurumas na meydan vermemek, kuruma süresini olabildi ince k saltmak, örnek olarak özellikle güne li, s cak zamanlarda kanal su ile dolu bulundurmak; betonu söz konusu etkiye yeterince dayan kl ve dü ük maliyetli yaparak beton yap n n y ll k maliyetini en aza indirmek ve yukar da say lan üç önlemin uygun bir birle imini uygulamak say labilir (Köksal ve di er., 1996).
Bu önlemlerden birincisi beton yüzeyleri dayan kl ve suya geçirimsiz plastik ve/veya bitümlü madde katmanlar yla yal tarak gerçekle tirilebilir. 8kinci önlem, içerisinde sürekli su bulunan büyük kanallarda su seviyesinin alt nda kalan bölümlerde ve/veya kanal n i letme program n n uygun düzenlenmesi durumunda uygulanabilir. Üçüncü önlem ise betonun i me ve büzülmesini azaltarak slanma-kuruma dayan kl l n artt r c ço u aktif silis içeren mineral at k madde ve/veya yan ürünlerin kullan lmas ile gerçekle tirilebilmektedir. Bu tür mineral katk lar kullan larak niteliklerinin uygun olmas halinde çimento hamuru ve beton yap s n n homojen, agrega çimento hamuru ba dayan m n n yüksek, bo luk say s n n ve geçirimlili in az olmas yoluyla dayan m ve dayan kl l veya performans yeterli beton elde edilebilmektedir (Köksal ve di er., 1996).
Mühendislik yap lar n n amaçlanan i levlerini olabildi ince dü ük maliyetle yerine getirmeleri istenir. Bunun için karar ve projelendirme a amas ndan ba lay p yap m ve kullan m a amalar nda da yap n n ve bulundu u yerin özellik ve her türlü
kaynaklar na en uygun seçeneklerin veya seçenek birle imlerinin de erlendirilmesi gerekir (Köksal ve di er., 1996).
2.5 Sülfat Etkisi
Yeralt sular nda, baz killi topraklarda ve cürufla doldurulmu arazilerde oldukça yüksek miktarlarda sodyum sülfat, kalsiyum sülfat, magnezyum sülfat ve potasyum sülfat gibi tuzlar bulunabilmektedir (Hekil 2.7). Sertle mi betonun içerisine d ar dan s zan sularla birlikte giren sülfatlar, betonun genle ip çatlamas na yol açan kimyasal olaylar n geli mesine neden olmaktad rlar. Sülfatlar n betonda yaratt y prat c etki, “sülfat sald r s ” olarak adland r lmaktad r. Sülfat sald r s na maruz kalan betonlar n yüzeyi, karakteristik olarak, beyaz ms bir görünüm almaktad r. Sülfatlar n y prat c etkisi, genel olarak, beton bloklar n kenar ndan ve kö elerinden ba lamaktad r. Daha sonra, bu etki, betonun iç k s mlar na do ru yo unla arak, beton yüzeyinin tabaka tabaka büyük parçalar halinde parçalanmas na neden olmaktad r. Yap lar n temel betonlar , istinat duvar betonlar , kanal kaplama betonlar ve beton borular, sülfat sald r s n n çok s k rastland betonlard r (Erdo an, 2003).
Hekil 2.7 Sülfatl bir zeminin genel görünü ü (Çi li-8zmir) (Baradan ve di er., 2002)
Su, sülfat reaksiyonlar nda rol almakla kalmaz ayn zamanda bu iyonlar n beton içine ta nmas n sa lar. Bu ba lamda yer alt suyunu drene ederek beton yüzeylerle
temas n önlemek ve temelleri kuru tutmak reaksiyonun geli imini engellemek için etkili bir önlemdir. Hekil 2.8’de yüksek oranda termik santral baca gaz temizleme ürünü yapay alç ta (CaSO4.2H2O), çimento (PÇ 42,5) ve uçucu kül içeren 5 cm ayr tl küp formundaki harç örneklerinin su içinde ve havada 84 gün bekletildikten sonraki durumlar görülmektedir. Soldaki çok a r hasarl örnek kal ptan ç kar ç kmaz suya konulmu , sa daki örnek ise laboratuar ortam nda havada bekletilmi tir. Hekil 5.8, reaksiyonun geli iminin suyun varl na ba l oldu unu ve gerekli ortam n olu mas halinde sülfat sald r s n n ba lay c matrisi tamamen harap edebilece ini vurgulamaktad r (Baradan ve di er.,2002).
Hekil 2.8 Yüksek oranda alç ta (kalsiyum sülfat) içeren harç örneklerinin havada ve su içinde bekletilmeleri halinde 84 gün sonundaki durumlar . Soldaki a r hasarl örnek su içinde, sa daki örnek ise havada bekletilmi tir (Baradan ve di er.,2002).
Sülfat sald r s n n zararl etkisi, sülfat iyonlar n n sertle mi betondaki alüminli (C3A) ve kalsiyumlu (Ca(OH)2) bile enlerle kimyasal reaksiyona girerek, hacmi çok artan etrenjit ve alç olu turmas ndan kaynaklanmaktad r. Reaksiyon ürünleri, sertle mi betonda genle me yaratarak agrega-çimento hamuru aderans n n olumsuz yönde etkilenmesine, çatlak olu umuna ve geçirimlili in artmas na yol açar. 8leri derecedeki etkilenmelerde ise betonun tamamen da lmas söz konusudur. Sülfat sald r s gibi d kaynakl iyon giri i sebebiyle olu an kimyasal reaksiyonlarda çimentonun kimyasal bile iminin kontrolü kadar, betonun geçirimsizli i de önem kazanmaktad r (Tosun ve di er., 2006).
Sülfat sald r s n n iddeti, sülfat iyonu türüne ve konsantrasyonuna ba l oldu u kadar beton üretiminde kullan lan çimento miktar na ve tipine, betonun geçirimlili ine, kür süresine ve ortam s cakl na da ba l d r. Ca(OH)2ürününü tespit etmek suretiyle do rudan sülfat direnci yaratan ve betondaki bo luklar doldurarak geçirimsizlik sa layan silis duman , uçucu kül ile cüruf ve puzolan gibi mineral katk maddelerinin betonda kullan m son zamanlarda yayg nla m t r. Sülfat sald r s na ili kin gerçekle tirilen çal malar n pek ço unda sülfat ortam sadece ya sodyum sülfat veya magnezyum sülfat ya da bunlar n kombinasyonu ile elde edilen çözeltiler ile temsil edilmi tir. Üstelik bu çözeltilerin sülfat iyonu konsantrasyonlar do al ortamlarda kar la landan oldukça yüksektir. Oysa beton yap lar ço u kez, baz denizlerde oldu u gibi, deneysel çal malarda kullan lan sülfat iyonu konsantrasyonunun çok alt nda konsantrasyona sahip ortamlara maruz kalmaktad r (Erdo du ve Karata , 2003).
Bir yap daki betonun sülfat sald r s ndan zarar görüp görmedi ini tam olarak anlayabilmek için deneysel yöntemlere ba vurmak gerekir. Betonda yer alan bo luklar betonun bas nç dayan m n dü ürür. Betonda yer alan %1 bo luk oran betonun dayan m n % 5,5 oran nda dü ürür. Bu sebeple, hidratasyon ürünlerinin hidrolizi veya çatlak olu umunun bas nç dayan m nda dü ü e yol açmas beklenebilir. Yap yerinden al nan karot örneklerinin dayan m n n, ayn betonun 28 günlük dayan m ndan daha dü ük olmas yap n n yerinde hasar gördü ü anlam na gelmektedir. Bu hasar, sülfat sald r s sonucu olu abilir. Sülfat sald r s n tespit edebilmek için kullan lan yöntemlerden biri bas nç dayan m ndaki de i imi gözlemlemektir. Dayan mda de i iklik olmamas ise ortamdan herhangi bir sald r olmad n gösterir. Sülfat sald r s söz konusu oldu unda, bas nç dayan m ndaki art (erken ya lar hariç) mant ks zd r. Sülfat etkisindeki laboratuar örnekleri genellikle gerilme alt nda olmayan örneklerdir ve deneyler bunlarla yap lmaktad r. Oysa yap yerindeki beton örneklerinde gerilme ile sülfat sald r s birlikte etkimektedir. Gerilmeye maruz beton örneklerinin sonuçlar sülfat sald r s na u rayan betonda kal c l n, yap yerindeki gerilme seviyesine ba l oldu unu göstermektedir. Laboratuar örneklerinin gerilme-dayan m oran genellikle pratikteki örneklerden daha yüksektir (Neville, 2004).
2.5.1 Sülfat Sald r s Kar s nda Betonda Yer Alan Reaksiyonlar n Mekanizmas Portland çimentosu klinkerinin küçük bir miktar alç ta ile ö ütülmesi sonucunda elde edilen portland çimentosunda, C2S, C3S, C3A ve C4AF gibi anabile enler yer almaktad r. Çimento ve suyun birle mesiyle, bu anabile enler su ile ayr ayr reaksiyona girmekte ve de i ik hidratasyon ürünlerinin olu mas na neden olmaktad rlar. Çimentodaki C2S ve C3S anabile enlerinin hidratasyonu, çimento hamuruna ba lay c l k sa layan kalsiyum-silika-hidrat (C-S-H) jellerinin yan s ra, kalsiyum hidroksit (CH) olu mas na yol açmaktad r. C4AF ve özellikle C3A ile çimento içerisinde yer alan alç n n ve suyun aras ndaki reaksiyonlar ise, etrenjit
_ 3
6 32
C AS H , ve kalsiyum-alümino-monosülfohidrat C ASH4 _ 12 gibi ürünlerin
ortaya ç kmas na neden olmaktad r. Özetle, çimento ve su aras ndaki reaksiyonlar sonucunda, çimento hamurunun yap s nda yer alan ba l ca hidratasyon ürünleri, C-S-H, CH ve kalsiyum-alümino-sülfohidratlard r (Erdo an, 2003).
Hem C ASH4 _ 12, hem de C AS H6 _3 32, çimento hamurunun genle mesine yol
açmaktad r. Özellikle, C AS H6 _3 32, çok büyük genle me yaratma kapasitesine
sahiptir (Erdo an, 2003).
Sülfat etkisine ba l olarak betonun y pranmas , donat korozyonundan sonra ikinci s rada öneme sahip kal c l k sorununu te kil etmektedir. Bu tip y pranma ço unlukla deniz suyuna ve/veya sülfat içeren yeralt sular na maruz beton yap larda dikkat çekmektedir. Sülfatlar bu ortamlarda sodyum sülfat (Na2SO4), magnezyum sülfat (MgSO4) ve kalsiyum sülfat (CaSO4) bile iminde bulunurlar. Bu tuzlar n çözünürlükleri oldukça yüksek olup konsantrasyonlar 1000 ppm e ik de erini a mas halinde kal c l k aç s ndan beton için zarar te kil ettikleri iddia edilmektedir. Y pranma mekanizmas hidrate olmu çimento hamuru ile sülfat iyonlar aras nda meydana gelen kimyasal etkile ime endeksli olup zamana ba l karma k bir olayd r. Sülfat sald r s n n zamana ba l bir olay olarak nitelendirilmesinin nedeni sülfat
iyonlar n n beton içine difüzyonunun nispeten dü ük h zlarda gerçekle mesine atfedilmektedir. (Erdo du ve Karata , 2003)
Sertle mi betonun içerisine s zan sularda sodyum sülfat (Na2SO4) veya magnezyum sülfat (MgSO4) gibi sülfatlar bulundu u takdirde, betonda iki a amal reaksiyonlar n yer almas na neden olmaktad r: Bunlar,
(1) Sertle mi betonun bünyesinde hidratasyon ürünü olarak yer almakta olan kalsiyum hidroksit ile sülfatlar aras ndaki reaksiyonlar sonucunda alç ta olu mas na yol açan reaksiyonlar,
(A a daki formüllerdeki CH, NS_ , H, CSH_ 2, M S_, NH, MH, C ASH4 _ 12 ve
_ 3
6 32
C AS H , s ras yla, kalsiyum hidroksitin, sodyum sülfat n, suyun, alç ta n n,
magnezyum sülfat n, sodyum hidroksitin, magnezyum hidroksitin, kalsiyum-alümino-monosülfohidrat n ve etrenjitin çimento kimyas ndaki sembollerle gösterilmi halidir.) _ _ 2 CH NS 2H+ + CSH +NH _ _ 2 CH M S 2H+ + CSH +MH(Erdo an, 2003)
(2) Alç ta n n kendisinin yaratt hacim art na ilaveten as l önemli etkisi C3A (3CaO.Al2O3) ile do rudan reaksiyona girerek sülfat içeri i bak m ndan zengin ancak çözünürlü ü olmayan bir yap gösteren etrenjit olu umuna neden olmas yla ortaya ç kar.
(CaSO4.2H2O)+3CaO.Al2O3+10 H2O\C ASH4 _ 12 (Erdo an, 2003)
3(CaSO4.2H2O)+3CaO.Al2O3+26H2O\3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (Erdo du ve Karata , 2003)
_
4 12
C ASH (kalsiyum-alumino monosülfohidrat) ürünü, bünyesine 12 molekül su
alarak olu maktad r. Bu kristalin olu mas , çimento hamurunun içerisinde bir miktar genle meye yol açmaktad r. Plaka ekline sahip (tipik boyutu 1x1x0,1 _m olan) bu
kristaller yar -kararl özelliktedir. Yani, daha fazla sülfat n bulundu u ortamda
_ 3
6 32
C AS H durumuna dönü ebilmektedirler (Erdo an, 2003).
Sertle mi çimentonun bünyesinde bulunan yar -kararl yap daki C ASH4 _ 12 ile sülfat etkisiyle olu mu olan alç ta aras ndaki reaksiyonlar sonucunda C AS H6 _3 32
olu mas na yol açan reaksiyonlar:
_ _ _
3
4 12 2 6 32
C ASH +2CSH +16H C AS H (Erdo an, 2003)
Bu ekilde meydana gelen etrenjit, bünyesinde mevcut yüksek oranda su nedeniyle çimento hamurunun genle mesine ve dolay s yla betonun çatlamas na neden olur. Öte yandan alç ta , sertle mi betonda kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jeli civar nda birikmesi sonucu sülfat iyonlar n n çimento hamuruna nüfuz etmesini kolayla t rmakta ve çimento hamurunun zay flamas na neden olmaktad r. Bu nedenle, C3A bak m ndan zay f çimentolar n C3S miktarlar n n fazla olmas durumunda aç a ç kan Ca(OH)2 miktar fazla olaca için sülfat sald r s etkin olmaktad r. Bu durumda etkile im genle meyi takiben çatlama biçiminde de il, k smen çimento hamurunun yumu amas sonucu rijitlik kayb eklinde olu maktad r. Bu bak mdan, sülfatlar n yo un olarak bulundu u ortamlara maruz betonlar n üretiminde C3A miktar dü ük çimento kullan m tek ba na çözüm olmayabilir, ayn zamanda çimentonun C3S miktar n n da dü ük olmas gerekir (Erdo du ve Karata , 2003).
Ortamdaki alç ta tükendi inde sistemdeki C3A henüz tükenmemi se, kalan C3A etrenjitle reaksiyona girerek tekrar a a daki denklemde gösterildi i gibi monosülfata dönü ür (Aytaç, 2006; Ramachandran, 1995).
_ 3
6 32
2.5.2 Sodyum Sülfat n ve Magnezyum Sülfat n Etkilerinin Kar la t r lmas
Yukar da anlat ld gibi, hem sodyum sülfat, hem de magnezyum sülfat, betonun içerisinde alç ta olu mas na ve yar -kararl durumdaki C ASH4 _ 12 ürünlerinin etrenjit durumuna gelmesine yol açmaktad rlar. Ancak, magnezyum sülfat n beton içerisindeki reaksiyonlar alç ta n n olu mas na yol açan reaksiyonlarla s n rl de ildir. Magnezyum sülfat, çimento hamurunun ba lay c l n sa layan kalsiyum-silika-hidrat (C3S2H3) jelleri ile de reaksiyona girmekte, bu jellerin bir miktar n n çözünmesine neden olmaktad r:
_ _
3 2 3 2 x
C S H +3M S 3CSH +3MH 2SH+
Bu reaksiyon sonucunda olu an SHx (silis jeli), magnezyum hidroksit (MH) ile oldukça yava bir reaksiyona girerek ba lay c l k de eri olmayan kristal magnezyum silikat olu mas na yol açmaktad r (Erdo an, 2003).
Özetlenecek olursa, betonun içerisine s zan sularda bulunan magnezyum sülfat, sodyum sülfat gibi genle me yaratmakta ve ayr ca betondaki çimentonun ba lay c l k de erini azaltabilmektedir (Erdo an, 2003).
Öte yandan, magnezyum sülfat n neden oldu u reaksiyonlar sonucunda olu an ürünlerin hacmi sodyum sülfat n reaksiyonu sonucu olu an ürünlerinkinden daha büyüktür. Ancak, magnezyum sülfat n kalsiyum hidroksitle veya kalsiyum-silika-hidrat ile yapt reaksiyonlar sonucunda ortaya ç kan magnezyum hidroksit (MH), betonun içerisindeki bo luklar n içerisine yerle mesiyle, bo luklar belirli ölçüde kapat lmakta, betonun içerisine daha fazla sülfat n s zmas önlenmi olmaktad r. O bak mdan, magnezyum sülfat n betonda yaratt genle me, sodyum sülfat nki kadar y prat c de ildir (Erdo an, 2003).
2.5.3 Suda ve Toprakta Yer Alan Sülfat Konsantrasyonunun Sülfat Sald r s n n H z na Etkisi
Betonla temas bulunan topraktaki ve sudaki sülfat miktar ne kadar yüksek olursa, sülfat sald r s daha iddetli olmakta, beton daha k sa süre içerisinde hasar görmektedir (Erdo an, 2003). Hekil 2.9’da sülfatl topra n genel görünümü yer almaktad r.
Hekil 2.9 Sülfatl toprak
Sudaki sülfat konsantrasyonu, toplam SO3veya SO4miktar n n, a rl k olarak, bir milyonda kaç k s m olu turdu u belirtilerek ifade edilmektedir. Atom a rl klar na göre, SO4=SO3x 1,2’dir. Topraktaki sülfat miktar , çözünebilir SO3 veya SO4’ün % olarak ifadesi eklinde olmaktad r (Erdo an, 2003).
Amerikan Beton Enstitüsü (ACI), suda veya toprakta bulunabilecek sülfat konsantrasyonuna ba l olarak, betonun sülfat sald r s na maruz kalaca ortamlar , “az etkili (yumu ak) ortam”, “etkili ortam”, “çok etkili ortam” ve “a r etkili ortam” olarak Tablo 2.5’te gösterildi i gibi tan mlamaktad r. Bu tabloda, de i ik sülfat ortamlar nda kullan lacak betonlar için önerilen maksimum su/çimento oranlar na da yer verilmektedir (Erdo an, 2003).
Tablo 2.5 Betonun sülfat sald r s na maruz kalaca ortamlar n s n fland r lmas (ACI 201) *ppm=part per million= bir milyon içerisindeki k s m (mg/l)
Sülfat Ortam
Topraktaki suda çözünebilir SO4
miktar (%)
Sudaki SO4miktar (ppm)* Betondaki Maksimum Su/Çimento Oran Az Etkili 0,00–0,10 0–150 - Etkili 0,10–0,20 150–1500 0,50 Çok Etkili 0,20–2,00 1500–10000 0,45 A r Etkili >2,00 >10000 0,45
Tablo 2.6’da, do al zeminler ve yer alt sular ndan kaynaklanan kimyasal etkiler için etki s n flar n n s n r de erleri TS-EN 206-1’de görüldü ü gibi belirtilmektedir. Tablo 2.6a’da ise bu etki s n flar tan mlanmaktad r.
Tablo 2.6 Do al zeminler ve yer alt sular ndan kaynaklanan kimyasal etkiler için etki s n flar n n s n r de erleri (TS-EN 206–1) Kimyasal özellik Referans deney metodu
XA1 XA2 XA3
En büyük su/çimento oran 0,55 0,50 0,45
Yeralt suyu SO42- mg/L EN 196–2 b200 ve c600 >600 ve c 3000 > 3000 ve c 6000 Zemin SO42- mg/kga (toplam) EN 196-2 b b 2000 ve c 3000c > 3000cve c 12000 > 12000 ve c 24000
a Geçirgenli i (permeabilitesi) 10-5 m/s’den daha dü ük olan kil zeminler bir a a s n fa geçirilebilirler.
b Deney metodunda, SO42-’ün hidroklorik asitle ekstraksiyonu tarif edilmi tir; Alternatif olarak, betonun kullan laca yerde yap l yorsa, su ile aç a ç karma metodu da kullan labilir.
c Islanma kuruma döngüleri veya kapiler emme nedeniyle, betonda sülfat iyonu birikimi tehlikesi olan yerlerde 3000 mg/kg olan s n r 2000 mg/kg’a indirilir. XA2 ve XA3 etki s n f nda bask n etkinin SO42- ‘den kaynaklanmas halinde sülfatlara dayan kl çimento kullan lmas zorunludur. Sülfatlara dayan kl l k bak m ndan çimentonun s n fland r lmas halinde orta ve yüksek dayan kl olarak s n fland r lan çimento XA2 etki s n f nda (uygulanabiliyorsa XA1 etki s n f nda) ve yüksek dayan kl çimento ise XA3 etki s n f nda kullan lmal d r.
