BÖLÜM 7 KARBONATLAŞMA. Alkali Ortamın Kaynağı. Alkali Ortamın Yok Olması. Alkali Ortamın Avantajı

Transkript

1 Alkali Ortamın Kaynağı BÖLÜM 7 Betonun alkalinitesi büyük ölçüde, çimentonun hidratasyonundan KARBONATLAŞMA kaynaklanan ve gözenek suyu içinde çözünmüş kalsiyum hidroksit Ca(OH) 2 tarafından sağlanır. Karbonatlaşma 2 Alkali Ortamın Avantajı Alkali Ortamın Yok Olması Betonarme elemanlarda, beton içerisine gömülü olan çelik, Betonun bu olumlu özelliği zaman içerisinde karbonatlaşma adı betonun alkali ortamı sayesinde korozyondan korunur. verilen kimyasal bir reaksiyon sonucu yok olabilir. Karbonatlaşma 3 Karbonatlaşma 4 1

2 Karbonatlaşma Karbonatlaşmanın Etkisi Karbonatlaşma reaksiyonunun kendisi betonun bozulmasına yol Kalsiyum Hidroksit Ca(OH) 2, özellikle atmosferde bulunan açmaz ancak betonun iç yapısında meydana getirdiği karbondioksitin betonun gözenekli sistemine işlemesiyle değişiklikler nedeniyle önemli sonuçlar doğurabilir. kalsiyum karbonata (CaCO 3 )dönüşür. i. Betonun ph değerini düşürmesi ii. Oluşacak olan karbonatlaşma rötresi riskidir. Karbonatlaşma 5 Karbonatlaşma 6 Karbonatlaşma Sonucu Beton ve Alkali Betonun ph derecesini değiştiren (düşüren) ve bu yolla da Beton yüksek dereceden alkali bir malzemedir. Alkali, suda donatının paslanmasına yol açan bu olgu betonarme elemanların çözündüğünde hidroksit iyonları (OH ) oluşturan bir bazdır. servis ömürlerini belirleyen önemli faktörlerdendir. Karbonatlaşma 7 Karbonatlaşma 8 2

3 Betonda Alkali Kaynağı 1- Çimentonun Bileşenlerinin Hidratasyonundan i. Çimento bileşenlerinin hidratasyonu 2(3CaO.SiO 2 )+nh 2 O 3 CaO.2SiO 2 (n-3)h 2 O+3Ca(OH) 2 2(2CaO.SiO 2 )+nh 2 O 3CaO.2SiO 2 (n-3)h 2 O+ Ca(OH) 2 ii. Serbest kirecin su ile reaksiyonu Sönmüş kireç kısmen kapiler su içinde eriyerek doygun bir iii. Alkaliler ile suyun reaksiyonu kireç kaymağı oluşturur. Bu şekilde taze betonun ph değeri 12,6 civarlarına kadar çıkar. Karbonatlaşma 9 Karbonatlaşma Serbest Kirecin Su ile Reaksiyonundan 3- Alkaliler ile Suyun Reaksiyonundan Çimento içerisinde, değişik tipteki çimentolarda farklı Ca(OH) 2 kalsiyum hidroksit dışında, çimento içindeki alkali oranlarda olmak üzere serbest kireç bulunur. Serbest oksitler su ile reaksiyona girer ve oluşan potasyum hidroksit (KOH) ve sodyum hidroksit (NaOH), beton gözenek suyunun ph kirecin su ile reaksiyonundan kalsiyum hidroksit Ca(OH) 2 meydana gelir. değerini 13 seviyesine kadar yaklaştırabilir. Yüksek alkali çimento kullanılması ile ph ın 13,5 a ulaşması da mümkündür. CaO + H 2 O Ca(OH) 2 NaOH ve K 2 O+H 2 O KOH, NaOH Karbonatlaşma 11 Karbonatlaşma 12 3

4 Demirin Korozyonu Reaksiyonlar Demir, ortamın rutubeti ve oksijenle birlikte galvani elemanı Fe Fe 2+ +2e - oluşturur ve sürekli olarak korozyon etkisinde kalır. Demir Fe 2 + Fe 3+ +e - nemli ortamda aşağıdaki şekilde iki aşamada iyonlarına ayrılır. Suda iyonlarına ayrılır. Kısa süreli denge hali sonunda (OH)- kökü (hidroksit iyonu) ile Fe 3 + iyonu birleşerek demir H 2 O (OH) - +H + Fe 3 ++3(OH) - Fe(OH) 3 2H 2 O+O 2 +4e - 4(OH) - hidroksiti oluşturur. Karbonatlaşma 13 Karbonatlaşma 14 Fe(OH) 3 Korozyonun Devamı Bu bileşik gevrek ve süngerimsi olup suda erimez, ayrışarak Demirin korozyonu için sürekli olarak oksijen ve su olması dibe çöker. Ancak su içinde çok az (OH) - kökü bulunduğundan gerekir, yoksa demir paslanmaz. Kurak bölgelerde metaller bu reaksiyon zayıf olup, bir süre sonra durur. Eğer su içine havanın oksijeni girerse sürekli olarak (OH)- kökü oluşur. daha az paslanır. Böylece sürekli olarak pas adı verilen Fe(OH) 3 oluşur. Karbonatlaşma 15 Karbonatlaşma 16 4

5 Pasif Tabaka Pasif Tabaka ile Korunma Alüminyum ve bakır gibi bazı metallerin normal hava içinde üst yüzeylerinde ince bir oksit tabakası oluşuncaya kadar bir başlangıç korozyonuna uğrarlar. Bu ince oksit tabakası korozyon olayını pratik olarak durdurur ve altındaki metali korur. Buna yaptığı işlev nedeniyle pasif tabaka adı verilir. Karbonatlaşma 17 Pasif Tabaka kalınlığı 50 m olup, demir iyonları, oksit iyonları ve hidroksit iyonlarından oluşur. Karbonatlaşma 18 Pas Payı Paslanma Betonarme yapılarda çelik etrafındaki beton sayesinde korozyona karşı korunmuş olur. Bu beton örtü tabakasına pas payı denir. Gerçekte betonun kendisi serbest kireç içeren [Ca(OH) 2 ] içeren alkali bir ortamdır. Çelik donatının yüzeyindeki Fe(OH) 3 serbest kireçle birleşerek kalsiyum ferrit kabuğu şeklinde koruyucu bir tabaka oluşturur. Ancak havadaki CO 2 zamanla betonun içine yayılarak kireci karbonatlaştırır vecaco 3 oluşur. Bu karbonatlaşma süreci zamanla çok yavaş ilerler. Beton pas payının yeterli olmadığı bölgelerde karbonatlaşma çeliğe kadar ilerleyerek, alkali ortamı yok eder ve korozyon (paslanma) başlar. Karbonatlaşma 19 Karbonatlaşma 20 5

6 Karbonatlaşma Reaksiyonunun Gelişimi Atmosferde asit oluşturan gazlar vardır. Bunların en önemlileri CO 2 ve SO 2 olup üç aşamada reaksiyon gösterirler; 1.Aşama: Gazların betonun gözenekli sistemine işlemesi 2.Aşama: Gazların gözenek suyu ile oluşturduğu reaksiyon CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 (=karbonik asit ) SO 2 +H 2 O H 2 SO 3 (=sülfürik asit ) 3.Aşama: Oluşan asitlerin gözenek suyu içinde çözünmüş olan çimentonun alkali bileşenleri ile reaksiyon yaparak bunları nötr hale getirmesi. Asit + Alkali Tuz + Su Karmaşık ve En Önemli Reaksiyon Ca(OH) 2 +CO 2 H2O CaCO 3 +H 2 O ph 12,6 ph 8,3 Bu reaksiyondan sonra oluşan kalsiyum karbonatın ph değeri sadece 8,3 tür. ph değerinin 9,5 in altına düşmesi halinde beton, betonarme çeliğini koruma etkinliğini kaybeder. Karbonatlaşma 21 Karbonatlaşma 22 ph Değeri ile Zaman İlişkisi Çimento Alkalinitesinin Etkisi Son yıllardaki araştırmalar çimento alkalinitesinin NaOH veya KOH içeriğinin karbonatlaşma reaksiyonu üzerinde etkili olduğunu ortaya çıkarmıştır. CO 2 + 2NaOH Na 2 CO 3 + H 2 O Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + 2NaOH Karbonatlaşma 23 Karbonatlaşma 24 6

7 Karbonatlaşma Hızının Yavaşlaması Karbonatlaşma Devamı İçin Karbonatlaşma, beton yüzeyinden iç bölgelere doğru hızı Karbonatlaşma reaksiyonu için ince bir su filmi ve devamlı bir azalarak devam eder. Çünkü oluşan ürünlerin hacmi yerini CO 2 akımı gerektiğinden, %30 un altındaki ve %90 ın üzerindeki aldıkları bileşenlerden daha fazladır. Ayrıca CO 2 betonun iç bağıl hava nemde karbonatlaşma reaksiyonu pratik olarak durur. bölgelerine girişinin zorlaşması da reaksiyonun yavaşlamasının Normal temiz havada yaklaşık %0.03, büyük şehirlerde %0.3 ve bir diğer sebebidir. çok ender durumlarda %1 oranlarında CO 2 bulunur. Karbonatlaşma 25 Karbonatlaşma 26 Paspayının Yetersizliği C 20/25 Yetersizliği Basınç dayanımı 30 MPa nın altındaki betonlarda büyük olasılıkla 15 mm lik karbonatlaşma miktarına birkaç yılda ulaşılır. Bu durum açıkta kalan betonarme elemanlarda bırakılan mm lik paspayı tabakasının ne kadar yetersiz Ülkemizde yaygın olarak kullanılan C20 sınıfı beton elemanlarda 30 yılda 45 mm lik bir karbonatlaşma derinliği oluşacağı düşünülecek olursa C20 nin bu konuda ne kadar kaldığını göstermektedir. yetersiz kaldığının bilinmesi gerekir. Karbonatlaşma 27 Karbonatlaşma 28 7

8 Friedel Tuzu Karbonatlaşma ve Geçirimsizlik Çimentonun, klorür iyonları ile yaptığı reaksiyon sonucu Karbonatlaşma sonucu oluşan ürünlerin hacim artışına yol Friedel Tuzu adı verilen, beton içerisindeki serbest kalan açmaları nedeniyle betonun gözenek hacmi daralacaktır. klorürlerin bir kısmının bağlanmasını sağlayan bir tuz oluşur. İnce kılcal boşluklar ve betonun kılcallık katsayısı artar, Karbonatlaşma sonucu Friedel tuzunun çözüldüğünü böylece beton yüzeyi sertleşir. Bu nedenle reaksiyonun hızı beton klorür iyonlarının tekrar serbest kalarak donatının korozyon yüzeyinden içlere doğru azalır. Ancak, karbonatlaşmanın riskinidahadaarttırdıkları ortaya çıkmıştır. sağladığı bu geçirimsizlik bir çok parametreye bağlıdır. Karbonatlaşma 29 Karbonatlaşma 30 Karbonatlaşma Rötresi Reaksiyonun Gelişimini Etkileyen Esas Faktör Karbonatlaşma aynı zamanda rötreye de sebep olur. Yüzeyden Harç ve betonun boşluk yapısını etkileyen faktörler CO 2 başlayıp iç bölgelere girişi uniform olmayan bir rötre dağılımına yol açar. Böylece dış bölge çekme, iç bölgeler de basınç gerilmelerine maruz kalır. Zamanla betonun dış yüzeyine ulaşan gerilme, mukavemeti etkilemeyecek boyutta küçük çatlakları meydana getirir. difüzyonu açısından karbonatlaşma olayının hızını da etkiler. Bunlar arasında su/çimento oranı ilk sırada yer alır. Su/çimento oranının yüksekolması sertleşmiş betonda boşluğu arttırır, gazın beton içine girişi kolaylaşır. Karbonatlaşma 31 Karbonatlaşma 32 8

9 Reaksiyonun Gelişimini Etkileyen Diğer Faktörler Karbonatlaşma Hızına Etkiyen Faktörler Düşük dozajlı beton yüksek dozajlı betonlara kıyasla karbonatlaşma eğilimindedir. Bu bulguya çimento hamurunun agrega taneleri arasındaki boşlukları tıkayacak kadar yeterli olamayacağına bağlanabilir. Beton uzun süre ıslak kür edilmiş bir betonda hidratasyon ürünleri boşlukları tıkayarak karbonatlaşmayı azaltmaktadır. Karbonatlaşma 33 Karbonatlaşma 34 Karbonatlaşmaya Karşı Alınacak Önlemler Karbonatlaşma Derinliğinin Tahmini Yoğun, Geçirimsiz, Yeterli dozajda, Yeterli kalınlıkta imal edilecek paspayı, Karbonatlaşma reaksiyonuna büyük ölçüde engel olacak ve betonarme elemanlarının servis ömürlerini istenilen düzeye C K T K y o / t o C: Karbonatlaşma derinliği (mm) T: Zaman ( yıl )ve K: Fiziksel değişkenleri içeren parametre dir. ulaştıracaktır. Sağlıklı olan karbonatlaşma değerinin deneysel belirlenmesidir. Karbonatlaşma 35 Karbonatlaşma 36 9

10 Karbonatlaşma Deneyi Deney yönteminin esası betonu mümkün olduğunca yüzeye dik kesip kesilen temiz yüzeye indikatör sıvı püskürtmektir. Karbonatlaşmamış kısım sıvı ile reaksiyona girip renk verecektir. Karbonatlaşmış kısım ise renksiz kalacaktır. Karbonatlaşma 37 Karbonatlaşma Derinliğinin Tayini 23±2ºC ve %65 bağıl nemde tutulan beton numuneler üzerinde yapılır. Betonların karbonatlaşma derinliği, beton numunelerinin ikiye bölünmüş kırılma yüzeylerine fenolphtalein çözeltisi püskürtülerek ölçülür. Serbest Ca(OH) 2 pembe renk gösterirken, karbonatlaşmış kısımlar renk değişimine uğramamaktadır. Su içerisinde kür edilen numunelerde karbondioksit gazının sızmasının mümkün olmaması nedeniyle ıslak küre maruz betonlarda karbonatlaşma oluşmayacağından dolayı karbonatlaşma ölçümleri sadece kuru kür ortamında bekletilen numuneler üzerinde yürütülür. Karbonatlaşma derinliği yüzey alanında aşağıda verilen eşitlik kullanılarak hesaplanır: D=(A1+A2+A3+A4)/4 D: Karbonatlaşma derinliği, mm A1,2,3,4: Dört kenardaki karbonatlaşma derinlikleri, mm Karbonatlaşma 38 Karbonatlaşmış Karot Numunesi Schmidt Çekici Concrete Test Hammer Beton test çekici olarak adlandırılan alet, sertleşmiş betonun yüzey sertliğini ölçmektedir. Schmidt isimli İsviçreli bir mühendis tarafından geliştirilmiş bu alet, Schmidt Çekici, veya Beton Tabancası gibi isimlerle de anılmaktadır. Karbonatlaşma 39 Karbonatlaşma 40 10

11 Beton Yüzey Sertliğinin Ölçülmesi Hasarsız Deney Yöntemi Beton test çekicinin uygulanmasında, aletin içerisinde yer alan bir kütle vasıtasıyla sertleşmiş betonun yüzeyine darbe vurulmaktadır. Yaylı bir sisteme bağlı olan kütle, geri sıçramaktadır. Kütlenin ne kadar geri sıçradığı, alet üzerindeki bir göstergeden sayısal olarak ölçülebilmektedir. Doğal olarak, daha sert yüzeylere sahip olan betonlarda, kütlenin geri sıçraması daha çok olmaktadır. Karbonatlaşma 41 Deney yapılanbetonyüzeyininyaklaşık30 mm derinliğine kadar olan nitelikleri hakkında bilgi verirler. Beton test çekici ile yapıdaki betonun yüzey sertliği, ve buna bağlı olarak basınç dayanımı ölçülebilmektedir. 90 günden yaşlı betonlar için azaltıcı katsayılar kullanılmalı. Beton çekici her 1000 okumadan sonra kalibre edilmelidir. Beton test çekicinin uygulanmasıyla betonda çatlama veya kırılma oluşmamaktadır. Yani, hasarsız deney yöntemi dir. Karbonatlaşma 42 Beton Çekicinin Kısımları Beton Test Çekici Değerlerini Etkileyen Faktörler 1. Darbenin uygulandığı yön; 2. Beton yüzeyinin ıslak veya kuru olması durumu; 3. Beton yüzeyinde karbonatlaşmanın yer almış olup olmadığı; 4. Darbenin iri agregalar veya demir donatıya uygulanması; Karbonatlaşma 43 Karbonatlaşma 44 11

12 Schmidt Çekici Deneyi Schmidt Çekici Deney Uygulaması Test çekicinin kalibrasyonunun iyi olduğundan emin olunmalıdır, Beton yüzeyi temizlenmeli ve deneye hazır duruma getirilmelidir, Temizleme işlemi için beton yüzeyine karondum taşı sürtülmeli, Test yapılmak üzere hazırlanan beton yüzeyine yaklaşık 2-5 cm aralıklarla 9-25 adet darbe uygulanmalı değerler kaydedilmelidir, Çok düşük veya çok yüksek değer elde edilmiş ise, bu anormal değerler, geri sıçrama değerinin ortalamasına katılmamalıdır. Karbonatlaşma 45 Karbonatlaşma 46 Schmidt Tablosu Laboratuarda Schmidt Deneyi Karbonatlaşma 47 Karbonatlaşma 48 12

13 Beton Yüzey Sertliği ile Basınç Dayanımı Arasındaki İlişki TS 3260 i. E. Schmidt, deneylerinde 700 adet 20 cm beton küp numune, ii. Değişik su/çimento oranları ve değişik agregalarla üretmiş, iii. Yaşları 7 ile 90 gün arasında olan numuneler kullanımış, iv. Beton test çekici ile 20 şer darbe vurmuş ve ortalaması bulmuş, v. Daha sonra, her numune, basınç dayanımı deneyi yapmış, vi. Basınç dayanımları ile test çekici arasında korelasyon kurulmuştur. Karbonatlaşma 49 Karbonatlaşma 50 TS EN / Nisan 2004 Karbonatlaşmış Betonda Realkalinizasyon Karbonatlaşmış betonun tekrar kazanılması, alkali ortamın sağlanması (realkalinizasyon) için çeşitli aktif ve pasif yöntemler geliştirilmiştir. Karbonatlaşma 51 Karbonatlaşma 52 13

14 1- Pasif Metot Kireç katkılı çimento harcı sıvası uygulamaktır. Bu harcın su/çimento oranı düşük, kireç miktarı yüksek tutulur. Genellikle kalınlığı 20 mm civarındadır. Bu sıva karbonatlaşma reaksiyonunun beton içerisinde ilerlemesini büyük ölçüde engeller. Yan etkisi yoktur. Karbonatlaşma Aktif Metot Akım ileten titanyumlu anot ağ yüzeye yakın yerleştirilir ve sodyum karbonat esaslı elektrolitle doyurulur. Verilen doğru akım yardımıyla Na + ve (OH) - iyonlarının beton içerisine iletilmesi ile betonun ph değeri 11 civarına kadar yükseltilebilir. Pratik bir yöntem değildir, Uygulaması oldukça güçtür, Çelikte hidrojen kırgınlaşması meydana getirmesi ve beton-çelik arasındaki aderansın azalması gibi yan etkileri de vardır. Karbonatlaşma 54 14