Çimentolu Sistemlerin Dayanıklılık Özellikleri€¦ · •Beton yüzeylerde tuz eriyiği donduğumda alttaki beton yüzeyinden daha fazla büzülmeye çalışır ve beton-buz

Çimentolu Sistemlerin Dayanıklılık Özellikleri

Prof. Dr. Mustafa Tokyay

Orta Doğu Teknik Üniversitesi

8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri/ÇİMSA 1

Dayanıklılık

• Bir malzemenin ciddi bozulmaya uğramadan, özelliklerini değiştirebilecek çevresel etkilere yeterli direnci göstererek, uzun süre var olabilmesi.

• Dayanıklılık ≡ Hizmet ömrü

• Belirli kullanım koşulları altında, malzeme özelliklerindeki azalma güvenlik ve/ya da ekonomi açısından malzemenin kullanımına daha fazla olanak vermiyorsa o malzeme artı hizmet ömrünün sonuna varmış demektir.

• Dayanıklılık, güvenlik, ekonomik ve teknik açılardan olduğu kadar ekolojik olarak da önemlidir: Uzun hizmet ömrü ≡ doğal kaynakların korunması

8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 2

Çimentolu Sistemlerde Dayanıklılık

• Doğru tasarlandığında, üretildiğinde ve kullanıldığında çimentolu sistemler dayanıklıdır.

• Buna karşın, fiziksel veya kimyasal bazı etkiler çeşitli olumsuzluklara yol açabilir. Birden fazla etki bir arada veya peş peşe meydana geldiğinde olumsuzluk daha da artabilir.

• Olumsuz etkilerin çoğunluğu suyla ilgilidir: Bizzat zararlı etki yaratabildiği gibi, zararlı etki için ortam da oluşturabilir.


Donma-Çözülme / Genel

• Su → Buz: ~%9 hacim genleşmesi.

• Çimentolu sistemler, diğer tüm

gözenekli malzemeler gibi, doygun

veya hemen hemen doygun durumda donma-çözülmeden olumsuz etkilenebilir.

• Zararlı etki için bütün yapının doygun olması gerekmez. Yüzeye yakın kısımların >%91 doygunluğu yeterli olabilir.


Hidrate olmuş çimento hamurunda

• Jel boşlukları (0.5-2.5 nm),

• Kılcal boşluklar (10 nm-5 μm),

• Sürüklenmiş hava boşlukları (50-200 μm)

• Sıkıştırılmış hava boşlukları (1-3 mm).

• Gözenek boyutu büyüdükçe donma kolaylaşır:


-78⁰C

-20⁰C

-5⁰C

1nm

3.5 nm

10 nm

Mekanizma / 1

• Hidrolik Basınç Teorisi: Kılcal boşlukta buz oluşmaya başladığında kalan donmamış su sıkışır. Oluşan hidrolik basınç bu suyun bir boş alana yayınmasıyla boşalabilir. Hava sürüklenmemiş bir çimentolu sistemde bu pek kolay gerçekleşemez. Dolayısıyla kılcal boşluk genleşmeye çalışır ve çevresindeki çimento hamuruna gerilme uygular. Toplam gerilme malzemenin çekme gerilmesini aştığında çatlaklar oluşur.


Mekanizma / 2

• Ozmotik Basınç Teorisi: Kılcal boşluklardaki sıvı çeşitli erimiş tuzlar (alkali sülfatlar, klorürler, vb) içeren sudur. Termodinamik olarak, bu suyun serbest enerjisi saf suyunkinden daha azdır. Oluşan bir tuz konsantasyon farkı suyun yüksek enerji durumundan düşük enerji durumuna hareketine yol açar. Buz oluşumu başladığında, henüz donmamış olan suyun tuz konsantrasyonu artar ve oluşan granyan nedeniyle yakın çevredeki su buraya hareket ederek daha fazla buz oluşmasına ve kılcal boşluğun sonunda genleşmesine ve açılmasına yol açar.


Mekanizma / 3 (Litvan Teorisi, 1976)

• Büyük boşluklardaki su donmaya başladığında daha küçük gözeneklerdeki ve jel boşluklarındaki su aşırı soğumuş (supercooled) hale gelir. Aşırı soğumuş su buzdan daha yüksek bir enerji seviyesindedir. Bu enerji farklılığı küçük boşluklardaki suyun büyük boşluklara doğru hareket etmesine, dolayısıyla daha çok buz oluşmasına ve boşluğun genişlemesine yol açar.

• Donma-çözülme çimento hamurunda oluşan bir olay olmakla birlikte, toplam porozitesi yüksek ancak ince gözeneklere sahip bazı agregaların da (kumtaşları gibi) olumsuz etki yapması mümkündür.


Sürüklenmiş Hava

• Çimentolu sistemlerde hava sürüklenmesi dediğimiz işlem, basitçe, çimento hamurunda çok küçük hava kabarcıkları oluşturmaktır. Hava sürüklenmesi donma-çözülme direncini artırmak için kullanılan standart bir işlemdir.

• Arkasındaki temel mantık, donma başladığında kalan donmamış suyun kolayca gidebileceği ve oluşan gerilmelerin hafifleyeceği boşluklar yaratmaktır.

• Genellikle, hacimce %4-8 civarında sürüklenmiş hava kullanılması önerilir.


Hava Sürükleyici Katkılar

• Ahşap reçineleri, kağıt endüstrisi atıkları veya petrol endüstrisi atıklarından elde edilen yüzey aktif maddeler (sürfaktan).

• Hidrofilik (suda) ve hidrofobik (hava kabarcığında) uçlara sahip hidrokarbon zincir molekülleri.

• Oluşan hava kabarcıkları üniform olarak dağılır.

• Aralık faktörü (SF) ≤ 0.2 mm.


Hava kabarcığı

Suyu seven Suyu sevmeyen

Donma-Çözülme Direncini Etkileyen Faktörler

• Uygun miktar ve şekilde sürüklenmiş hava;

• Donma direnci yüksek agrega kullanımı;

• Donma başlamadan önce ≥ 3.5MPa dayanım;

• Tekrarlı donma-çözülme durumunda, ≥ 28 MPa dayanım.

• BU KOŞULLAR SAĞLANDIĞI TAKTİRDE DONMA-ÇÖZÜLME ZARARI RİSKİ BÜYÜK ÖLÇÜDE AZALTILIR.


Buz Çözücü Tuzlar

• Beton yüzeylerde tuz eriyiği donduğumda alttaki beton yüzeyinden daha fazla büzülmeye çalışır ve beton-buz arayüzeyine paralel çatlamalara ve pullanmaya yol açar.

• Sürüklenmiş hava bu olumsuz etkiyi azaltır ancak,

• Taze betonda kanama (kusma) yüksek miktarda olmamalı ve

• Tuz konsantrasyonunun %3 civarında olmamasına dikkat edilmelidir.


Sülfat Etkisi / Genel

• Kalsiyum, sodyum, potasyum ve magnezyum sülfatlar, eriyik halde çimentolu sistemlere nüfuz ederek, genleşme, çatlama, pullanma, yumuşama ve dağılma gibi bozulmalara yol açabilir.

• Doğadaki sülfatlar zeminlerde ve yeraltı sularında bulunabilir.

• Zeminlerde sülfat konsantrasyonu birbirine çok yakın mesafelerde dahi önemli farklılıklar gösterebilir. Ayrıca, iklim koşullarına bağlı olarak derinlikle değişebilir. Kuru ve sıcak havalarda yüzeyde veya yüzeye yakın bölgelerde yüksek olurken, yağışların buharlaşmadan yüksek olduğu iklimlerde sülfatlara daha derinlerde rastlanır.


Sülfatların Eriyebilirliği

• CaSO4: 0.255g/100g → 0.15g/100g SO3

• MgSO4: 35.1g/100g → 23g/100g SO3

• Sodyum, potasyum ve magnezyum sülfatlar daha tehlikeli.


TepkimelerSodyum sülfat:

• Birinci adım: Sülfat iyonlarının sisteme nüfuz etmesi

• İkinci adım: 𝐶𝐻 + 𝑁ഥ𝑆 𝐻10 → 𝐶 ҧ𝑆𝐻2 + 𝑁𝐻 + 8𝐻

• Üçüncü adım: 𝐶4𝐴 ҧ𝑆𝐻12 + 2𝐶 ҧ𝑆𝐻2 + 16𝐻 → 𝐶6𝐴 ҧ𝑆3𝐻32

Magnezyum sülfat:

• 𝐶𝐻 +𝑀ഥ𝑆 𝐻7 → 𝐶 ҧ𝑆𝐻2 +𝑀𝐻 + 5𝐻

• 𝐶4𝐴 ҧ𝑆𝐻12 + 3𝑀 ҧ𝑆 + 2𝐻 → 4𝐶 ҧ𝑆𝐻2 + 3𝑀𝐻 + 𝐴𝐻3

• 𝐶3𝑆2𝐻8 + 3𝑀 ҧ𝑆𝐻7 → 3𝐶 ҧ𝑆𝐻2 + 3𝑀𝐻2 + 2𝑆𝐻𝑥


• MH’ın eriyebilirliği (9.6x10-3 g/100g)

• NH’ınkine (10.9 g/100g) ve

• KH’ınkine (11.2 g/100g) göre çok az.

• Gözenek eriyiğinde MH konsantrasyonunun artması pH’ın 10.5’a kadar düşmesine yol açabilir. Bu da C-S-H jelinin stabilitesi için gerekli ≥12.5 değerinden çok düşüktür. C-S-H jeli dengeyi sağlamak için ortama bir miktar CH verebilir ancak bu da yine sülfat etkisine uğrar.


PÇ bileşenlerinin göreli genleşmeleri (Eglinton, 1988)Bileşen Eşdeğer SO3 miktarı %1.2 olan eriyiklerde %0.5 genleşme için gereken süre

%1.8 MgSO4 eriyiği Doygun CaSO4 eriyiği %2.1 Na2SO4 eriyiği

C2S 28 gün 18 yıl sonunda çok az 18 yıl sonunda çok az

C3S 35 gün 9 yıl sonunda %0.22 12 yıl

%50C2S+%50C3S 65 gün 18 yıl sonunda %0.19 12 yıl sonunda %0.04

%80C2S+%20C3A 6 gün 10 gün 4 gün

%80C3S+%20C3A 4 gün 11 gün 7 gün

%80 C3S+%20C4AF 16 gün 3 yıl sonunda %0.15 400 gün

%40C3S+%40C2S+%20C4AF 43 gün 3 yıl sonunda %0.06-0.07 3 yıl sonunda %0.06-0.07


Sülfat Etkisi Sınıfları

ACI 201 EN 206

Etki SınıfıSO4 Konsantrasyonu

Etki SınıfıSO4 Konsantrasyonu

Zemin (%)

Yeraltı suyu (mg/l)

Zemin (%)

Yeraltı suyu (mg/l)

0 <0.10 0-150 XA 0 <0.20 <200

1 0.10-0.20 150-1500 XA 1 0.20-0.30 200-600

2 0.20-2.00 1500-10000 XA 2 0.30-1.20 600-3000

3 >2.00 > 10000 XA 3 1.20-2.40 3000-6000


Tomasit

• Karbonatları da içermekle birlikte, bir tür sülfat etkisi olarak kabul edilir.

• 𝐶𝑎3 + 𝑆𝑖2𝑂7 ∙ 3𝐻2𝑂𝐶−𝑆−𝐻 𝑗𝑒𝑙𝑖

+ 2 𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 2𝐻2𝑂𝑎𝑙ç𝚤

+ 𝐶𝑎𝐶𝑂3𝑘𝑎𝑙𝑘𝑒𝑟

+ 𝐶𝑂2 +

23𝐻2𝑂 → 𝐶𝑎6 𝑆𝑖 𝑂𝐻 6 2 𝐶𝑂3 2 𝑆𝑂4 2 ∙ 24𝐻2𝑂𝑇𝑜𝑚𝑎𝑠𝑖𝑡

• Etrenjit + C-S-H + kalker + CO2+su → Tomasit + alçı + aluminyum oksitaq. + kalsiyum hidroksit

• Tomasit oluşumu yumuşak ve bağlayıcı olmayan bir kütleye yol açar.


Gecikmiş Etrenjit Oluşumu

• Genel olarak içsel sülfat etkisi olarak kabul edilir.

• Hidratasyonun erken evresinde yüksek sıcaklığa maruz kalmış betonlarda veya kütle betonlarında görülür.

• Etrenjit >70⁰C sıcaklıkta monosülfoaluminata dönüşür. Ortaya çıkan bir kısım alumina ve sülfat iyonları C-S-H jelinde ve gözenek suyunda kendine yer bulur. Beton normal sıcaklığa geldiğinde kalsiyum, hidroksil ve sülfat iyonları tekrar açığa çıkarak yeniden etrenjit oluştururlar. Bu işlem bir kaç haftayla bir kaç yıl arasında meydana gelebilir.


Deniz Suyu Etkisi

• Deniz suyunun yarattığı sülfat etkisi klor içermeyen sülfatlı sularınkinden farklıdır.

• Ciddi bir genleşme olmaksızın bir miktar aşınmayla kütle kaybı söz konusudur. Etrenjit oluşumu gecikmekte veya hiç olmamaktadır.

• Genellikle deniz sularının sülfat etkisi ACI’ın 01 sınıfı etkisi olarak değerlendirilebilir.


Sodium chloride; 78,32

Magnesium chloride; 9,44

Magnesium sulfate; 6,4

Calcium sulfate; 3,94

Calcium chloride; 1,69 Other; 0,21

• Deniz sularının sülfat etkisinin şiddetinin fazla olmaması içerdiği HCO3-

ve Mg2+ iyonlarına bağlanmaktadır. Bu iyonlar hidratasyon ürünleriyle tepkimeye girerek çözünürlüğü çok düşük olan kalsiyum karbonat ve magnezyum hidroksit oluştururlar. Bu bileşenler gözeneklerde çökelerek geçirimliliği azaltırlar ve sülfat ve klor iyonlarının yapıya nüfuzunu yavaşlatırlar (Massazza, 1988).

• Ayrıca, deniz suyundaki klorun sülfat etkisini azaltıcı bir rol oynadığı da bir çok araştırmacı tarafından belirtilmiştir (Maes ve De Belie, 2014; Barberon et al, 2005; Zhang et al, 2013; Sotiriadis et al, 2012 ve 2013). Bu yavaşlatıcı etki ortamın pH’ının azalmasıyla açıklanmaktadır.


• DENİZ SUYUNUN ASIL ZARARLI ETKİSİ DONATI PASLANMASIDIR.


Karbonatlaşma

• 𝐶𝑎 𝑂𝐻 2 + 𝐶𝑂2 → 𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 𝐻2𝑂 ↑

• 𝐶 − 𝑆 − 𝐻 + ҧ𝐶 → 𝐶 − 𝑆 − 𝐻 + 𝐶 ҧ𝐶 + 𝐻

• 𝐶3𝑆 + 3 ҧ𝐶 + 𝐻 → 𝑆𝐻 + 3𝐶 ҧ𝐶

• 𝐶2𝑆 + 2 ҧ𝐶 + 𝐻 → 𝑆𝐻 + 2𝐶 ҧ𝐶

• Betonun pH’ını 8’e kadar düşürebilir: Donatı korozyonu!

• Kabaca, aşağıdaki difüzyon denklemiyle tanımlanabilir: 𝑑𝑥

𝑑𝑡=𝐷0𝑥


Karbonatlaşma derinliği

• 𝑑 = 𝐴𝑡𝑛

• A: difüzyon katsayısı (0.25-1.00 mm/yıl0.5)

• n=0.50

• KARBONATLAŞMA DENEYLERİ HIZLANDIRILMIŞ DENEYLERDİR. CO2KONSANTRASYONLARI %50’YE VARABİLMEKTEDİR. OYSA, ATMOSFERDEKİ CO2 KONSANTRASYONU ORTALAMA %0.04 CİVARINDADIR.


Donatı korozyonu


• Kapiler boşluk suyunun içerdiği O2 ve Fe2+ ve sistemin pH’ı donatı paslanma hızını etkileyen unsurlardır.

• 𝜀 = 0.0148 log 𝑂2 − 0.0591 𝑝𝐻 − 0.0296 log(𝐹𝑒2+) + 1.669 [𝑉]

• Kullanılan malzemelerin özellikleri;

• Betonun kalitesi;

• Pas payı;

• Ortam sıcaklığı ve nemi;

• Su-Çimento oranı;

• İşçilik;

• Geçirimlilik;

• Bakım, vb.


• Betonun yüksek pH’ı

• pH 10’a düştüğünde korozyon oluşur (CO2 ve Cl)

• Korozyon riskini azaltmak için betonun Cl- konsantrasyonunu çimento miktarının, kütlece, %0.20 ile sınırlandırmak gerekir (ACI 201, 2001). Bu miktar biraz fazla konservatif görülebilir ancak,

• 𝐹𝑒3+ + 3𝐶𝑙−𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑙𝑖𝑡

𝐹𝑒𝐶𝑙3• 𝐹𝑒𝐶𝑙3 + 3(𝑂𝐻)−→ 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 + 3𝐶𝑙−


AAR

• Bazı reaktif agregalarla çimentodaki alkalilerin tepkimeleri

• ASR

• ACR


Basitleştirilmiş ASR tepkimeleri (Glasser, 1992; Andiç-Çakır, 2007; Ichikawa ve Miura, 2007)1. Siloksan ağının bozulması:

−│𝑆𝑖

│

− 𝑂 −│𝑆𝑖

│

− + 𝑅+ + 𝑂𝐻− → −│𝑆𝑖

│

− 𝑂 − 𝑅 + 𝐻 − 𝑂 −│𝑆𝑖

│

−

2. Silisik asidin alkali silikata dönüşmesi:

𝐻 − 𝑂 −│𝑆𝑖

│

− + 𝑅+ + 𝑂𝐻− → −│𝑆𝑖

│

− 𝑂 − 𝑅 + 𝐻2𝑂

3. Alkali silikatın su emmesi ve genleşmesi:

−│𝑆𝑖

│

− 𝑂 − 𝑅 + 𝑛𝐻2𝑂 → −│𝑆𝑖

│

− 𝑂 − 𝑅⋯ 𝐻2𝑂


• Reaktif silika-alkali oranı (Pessimum oran): ~4.5

• Reaktif agrega tane boyutu: Genel olarak, küçük taneler hızlı tepkimeye girer ancak zararlı etkileri daha azdır.

• Alkali miktarı: Çimentoda en çok %0.60 (Na2O)eq

𝑁𝑎2𝑂 𝑒𝑞 = 𝑁𝑎2𝑂 + 0.658𝐾2𝑂

Betonda en çok 3 kg/m3.

• Bağıl nem ve ortam sıcaklığı arttıkça genleşme artar.


ASR genleşmesini önlemek için (ACI 221, 1998)• Rutubeti kontrol etmek;

• Reaktif agrega tip ve miktarını kontrol etmek;

• Beton boşluk suyunun pH’ını azaltmak


Geçirimlilik

• ÇİMENTOLU SİSTEMLERİN DAYANIKLILIĞINA ETKİ EDEN EN ÖNEMLİ PARAMETRE

• Bağlayıcı malzeme miktarı ve tipi;

• Agrega gradasyonu;

• Sıkıştırma;

• Bakım türü ve süresi

• SU-ÇİMENTO ORANI


Çimento hamurunda


Vu

Vg

Pc

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Jel,

hid

rate

olm

amış

çim

en

to v

e k

ılcal

bo

şlu

k h

acim

leri

Su-çimento oranı

Vu

Vg

Pc

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Jel,

hid

rate

olm

amış

çim

en

to v

e k

ılcal

bo

şlu

k h

acim

leri

Hidratasyon derecesi

Çimento hamuru Beton



TEŞEKKÜRLER


CAÇ

• CAH10

• C2AH8

• %50

• %30

• Yüksek sıcaklık, rutubet, yüksek su-çimento oranı

• YFC (Kırca, 2006)


→ C3AH6

Dönüşüm sırasındaki su kaybı nedeniyleHidratasyon ürünlerinde hacim azalması

Gözeneklilik artışıDayanım kaybı

Documents

Çimentolu Sistemlerin Dayanıklılık Özellikleri€¦ · •Beton yüzeylerde tuz eriyiği donduğumda alttaki beton yüzeyinden daha fazla büzülmeye çalışır ve beton-buz