Transkript

1 Makale Article Durability of Cementitious Materials and Multimaterial Systems Knowledge on durability of construction materials is important for the design and maintenance planning of civil infrastructures. Degradation in cementitious materials, such as normal-strength concrete and fiber-reinforced concrete, can be attributed to moisture diffusion, freeze-thaw cycle, and aggressive chemical attack. Several techniques are available to improve durability of concrete. Since the presence of water is the precursor in most of the degradation mechanisms, the most effective method is to decrease the permeability of concrete. This has led to the development of highperformance concrete, which has very fine, reactive pozzolans as additional ingredients. Nonetheless, durability of individual materials does not imply that multi-material system consisting of such material will have good durability performance. This is due to the fact that the microstructure at the interface region is different from that of the constituents. Using a fracture approach, experimental results on multi-material system, with structural adhesive as the joining material, have shown that under environmental exposure the interfacial fracture toughness of adhesive bond decreases. The strength of adhesive joint degrades as implied by the failure mode shift from substrate decohesion in controlled specimens to interface separation in conditioned specimens. Thus, in design of multi-material system, degradation of the interface needs to be taken into account, in spite of sound durability of the individual substrates. KEYWORDS: Durability, Cementitious materials, Multi-material system, Concrete, Epoxy Baðlayýcý Malzemelerde ve Çoklu Malzemeli Sistemlerde Dayanýklýlýk Oral BÜYÜKÖZTÜRK*, Chakrapan TUAKTA*, Denvid LAU* ÖZET Mühendislik altyapýlarýnýn tasarlanmasýnda ve bakýmýnýn planlanmasýnda inþaat malzemelerinin dayanýklýlýðýna iliþkin bilgiler önem taþýr. Normal dayanýmlý beton ve lif takviyeli beton gibi çimento esaslý malzemelerde bozunum nem difüzyonuna, donma-çözülme çevrimine ve zararlý kimyasal etkilere baðlanabilir. Betonun dayanýklýlýðýný iyileþtirmek için çeþitli teknikler vardýr. Bozunma mekanizmalarýnýn çoðunun ilk iþareti suyun varlýðý olduðu için, en etkin yöntem betonun geçirimliliðini azaltmaktýr. Bu nedenle, bileþimine çok ince ve reaktif puzolanlar eklenmiþ yüksek performanslý beton geliþtirilmiþtir. Bununla birlikte, tek tek malzemelerin dayanýklý olmasý, bu malzemelerden oluþan çoklu malzemeli bir sistemin dayanýklýlýk açýsýndan iyi performans göstereceði anlamýna gelmez. Çünkü arayüz bölgesindeki mikro yapý, bileþenlerin mikro yapýlarýndan farklýdýr. Kýrýlma yaklaþýmý kullanarak, birleþtirici malzeme olarak yapýsal yapýþtýrýcýlarýn kullanýldýðý çoklu malzemeli sistemlerle ilgili deneysel sonuçlar, çevre koþullarýna maruz kaldýðýnda yapýþtýrýcý baðýn arayüz kýrýlma tokluðunun azaldýðýný göstermektedir. Bozunma þeklinin deðiþerek kontrollü numunelerde alt malzemenin kopmasýndan çevre etkileri altýndaki numunelerde arayüz ayrýlmasýna geçmesinin de gösterdiði gibi baðlanmanýn dayanýmý azalýr. Dolayýsýyla çoklu malzemeli sistem tasarýmýnda, tek tek malzeme tabakalarýnýn dayanýklýlýðý yüksek de olsa, arayüzdeki bozulmanýn hesaba katýlmasý gerekmektedir. ANAHTAR SÖZCÜKLER: Dayanýklýlýk, Baðlayýcý Malzeme, Çoklu Malzemeli Sistem, Beton, Epoksi 1. SANAT YAPILARININ DAYANIKLILIÐI Federal Karayollarý Ýdaresi ne göre, den fazla köprü yapýsal bakýmdan yetersiz olarak sýnýflandýrýlmýþtýr, bu da Amerika Birleþik Devletleri ndeki toplam köprü sayýsýnýn yaklaþýk olarak %13 ünü oluþturur [U.S. DOT 2006]. Sanat yapýlarý genellikle en az kýrk ila elli yýl dayanacak þekilde inþa edilir. Ancak bu yapýlarýn hizmet süreleri içinde yük ihtiyacýnda artýþ, sert çevre koþullarý veya doðal afetler gibi çeþitli dýþ etkenlere ve beklenmedik olaylara maruz kalmasý mümkündür. Bu etkenler yapýlarda artýk iþlevlerini (dayaným ve hizmete elveriþlilik bakýmýndan) gerektiði gibi yerine getiremeyecek ölçüde bozunmaya yol açabilir ve nihai olarak tasarlanan hizmet ömürlerini kýsaltabilir. Bazý durumlarda zaman içinde tedrici bozunma sonunda altyapýda feci bir iflasa yol açabilir. Hem malzeme düzleminde hem de yapýsal düzlemde, dayanýklýlýk, tasarlanan iþlevleri belirli bir süre boyunca ki bu süre içinde bozunma da meydana gelebilir - sürdürülebilme yeteneði olarak tanýmlanabilir. Belirli bir yapýsal elemana özgü farklý iþlevleri *Massachusetts Institute of Technology, Ýnþaat ve Çevre Mühendisliði Fakültesi, Cambridge 86 HAZIR BETON

2 Article Makale yansýtacak dayanýklýlýk performansýný belirlemek için farklý göstergeler kullanýlýr. Örneðin bir köprü tabliyesindeki betonun uzun verimli performansýný belirlemek için yüzey aþýnmasýna dayaným kullanýlýrken, tünel duvarýndaki beton için su geçirimliliði kullanýlabilir. Doðal olarak, bir sanat yapýsýnýn dayanýklýlýðýný belirlemek için birden fazla gösterge kullanýlýr; çünkü yapý genellikle her biri birden fazla iþlev gören çok sayýda yapýsal elemandan oluþur. Dayanýklýlýk neden bu kadar önemlidir? Çoðu sanat yapýsý, hizmet ömrü mali gerekleri karþýlamaya yetecek kadar uzun olacak þekilde tasarlanmak zorundadýr. Ayrýca, çevre bilinci arttýðý için, inþaat sanayi, inþaat projelerine doðrudan veya dolaylý olarak katýlan herkesin üzerinde anlaþtýðý sürdürülebilirlik fikrine uyum saðlamak zorundadýr. Bozunan elemanlarýn deðiþtirilmesi ek kaynak kullanýlmasýný ve atýk kontrolunu gerektirdiði için çevreyi daha fazla etkiler. Dolayýsýyla mühendislik açýsýndan sürdürülebilirlik, yapýnýn farklý türlerde bozunma süreçlerine na kadar iyi dayanabildiði ve tasarlanmýþ iþlevlerini yerine getirmeye devam edebildiði olarak, ya da baþka bir deyiþle yapýnýn dayanýklýlýk performansý olarak tanýmlanabilir. Dolayýsýyla sanat yapýlarýnýn inþaasý, mühendislik, çevre yönetimi ve ekonomi alanlarýnda bilgi ve deneyimi bir araya getiren çok disiplinli bir iþ halini almýþtýr. Sanat yapýlarýnýn hizmet ömrü maliyet analizi ve dayanýklýlýðý arasýnda kaçýnýlmaz bir iliþki vardýr ve bunlarýn planlama, tasarým ve inþaat aþamalarýnda göz önüne alýnmasý þarttýr. Ayrýca, inþa iþi tamamlandýktan sonra gerekli dayanýklýlýk performansýný güvence altýna almak için yapýnýn ömrü süresince uygun bir bakým programý stratejik olarak uygulanmalýdýr. Bu baðlamda inþaat malzemelerinin dayanýklýlýk performansýna ve bozunma mekanizmalarýna iliþkin bilgiler belirleyici bir rol ynayacaktýr. Böylelikle, sanat yapýlarýnýn farklý çevre ve yük koþullarý altýnda hem malzeme düzlemindeki hem de yapýsal düzlemdeki dayanýklýlýðýný belirlemek için bu bilgiye dayalý yöntemler geliþtirilebilir. 2. BAÐLAYICI MALZEMELERDE BOZUNMA MEKANÝZMALARI Kireçtaþý ve volkanik külden elde edilen beton karýþýmý veya nehir kilinden yapýlmýþ saman takviyeli kerpiç biçiminde baðlayýcý malzemelerin kullanýlmasýnýn tarihi antik çaðlara kadar gider. Bügün beton, kullanýlýþ kolaylýðý, düþük maliyeti ve altyapýya duyulan toplumsal ve ekonomik ihtiyacýn sürekli artmasý nedeniyle dünyanýn en çok tüketilen malzemelerinden biri haline gelmiþ durumdadýr. Onu bir tek su geçmektedir. Ancak beton üretimi oldukça büyük miktarda kaynak ve enerji gerektirir. Üretiminde daha az enerji tüketilen yeni bir betonla ilgili araþtýrma ve geliþtirme çalýþmalarý henüz prematüre aþamada olmakla birlikte bu sorunu atlatmanýn bir yolu sanat yapýlarýnýn ömrünü uzatmaktýr. Bu nedenle, çimento esaslý yapýlarýn dayanýklýlýðýný etkileyebilecek bozunma mekanizmalarýný anlamak gereklidir, böylece çevreye baðýmlý doðru olasýlýksal malzeme modelleri çýkartýlabilir. Bu konuyu anlamak, daha dayanýklý ve ayný zamanda daha ekonomik yenilikçi yapý malzemelerinin veya yapým tekniklerinin geliþtirilmesinin yolunu açacaktýr. Baðlayýcý malzeme, agrega ve donatýlar gibi diðer elemanlarý baðlayan ve esas bileþeni çimento olan yapý malzemelerine gönderme yapar. Dolayýsýyla yüksek performanslý beton ve lif takviyeli beton da bu kategoriye girer. Baðlayýcý malzemelerin dayaným kazanmasýna neden olan ve farklý elemanlar arasýnda yük transferini saðlayan kalsiyum-silikat-hidrat (C-S-H) ürününü oluþumudur. Bu, köprülerde ve binalarda global bir yük taþýma kapasitesi elde etmek için somun ve cývatalarýn farklý yapýsal ögeleri bir arada tutmasýna benzer. Baðlayýcý malzemeler hidratasyon nedeniyle, bileþimlerine baðlý olarak farklý derecelerde de olsa, gözenekli olur. Bu onlarý klorür ve kükürt çözeltileri gibi zararlý kimyasal maddelerin penetrasyonu karþýsýnda dayanýksýz kýlar. Burada bozunmanýn büyüklüðü ile söz konusu malzemenin geçirimliliði arasýnda baðýntý kurmak mümkündür. Çevre koþullarý karþýsýnda dayanýklýlýðý ve uzun vadeli performansý deðerlendirirken göz önüne alýnmasý gereken çeþitli çevresel koþul ve süreçler vardýr. Bunlar tuzlu ve bazik koþullarý, sýcaklýk deðiþikliklerini, nemli ortamý, ýslanmakuruma çevrimlerini ve donmaçözülme çevrimlerini içerir. Bu çalýþmada bu bozunumlarýn altýnda yatan mekanizmalar ele alýnmaktadýr. Ayrýca, betonda bozulmanýn çok ender olarak tek bir mekanizmadan ileri geldiðini de belirtmekte yarar vardýr. 2.1 Nem Difüzyonu Betonda bulunan suyun, hidratasyon nedeniyle betonun mekanik özelliklerini geliþtirdiði düþünülmektedir. Ancak deneysel çalýþmalar suyun varlýðýnýn betonun dayanýmýnda azalmaya yol açabildiðine iþaret etmiþtir [Bazant ve Prat 1988; Ross vd. 1996; Neville 1997; Konvalinka 2002; Au ve Büyüköztürk 2006]. Bu olayý açýklamak için þimdiye kadar iki hipotez ileriye sürülmüþtür. Birinci açýklama soruna sertleþmiþ çimento hamurunun uðradýðý hacim deðiþikliði açýsýndan yaklaþýr (Konvalinka 2002). Betonun kurumasýnýn sertleþmiþ çimento hamurunun hacmini küçülterek sertleþmiþ çimento jeli yüzeyleri arasýndaki ortalama mesafeyi azalttýðý düþünülmektedir. Bu mesafenin azalmasý doðal olarak Eylül - Ekim 08 87

3 Makale Article Hava boþluðu Ýnce agrega Ýri agrega Oda sýcaklýðýnda boþluk suyu (a) Donmuþ boþluk suyu (b) Þekil 1. Donma-çözülme çevrimi sýrasýnda boþluk sistemindeki su: (a) Oda sýcaklýðýnda boþluk suyu bir hava kabarcýðýna yerleþebilir. (b) Sýcaklýk belli bir noktaya düþünce boþluk suyu donacak ve gözenek sisteminin diðer kýsýmlarýna yayýlacaktýr. Eðer hava kabarcýklarý donan suyun genleþebileceði kadar büyük deðilse yüksek çekme kuvvetleri nedeniyle çatlaklar meydana gelecektir. yüzeyler arasýndaki ikincil baðlarýn artmasýna yol açar ve dolayýsýyla da kuru numunelerin dayanýmýný artýrýr. Tersine, betonu ýslatmak sertleþmiþ hamurun hacmini ve dolayýsýyla da jel yüzeyleri arasýndaki ortalama mesafeyi artýrýr. Ýkinci açýklama soruna boþluk iç basýncý açýsýndan yaklaþýr (Bazant ve Prat 1988). Islak betonun boþluklarýndaki su moleküllerinde dýþ yükler nedeniyle boþluk iç basýncý oluþtuðu düþünülmektedir. Bitiþik gözenekler de su dolu olduðunda bir gözenekteki su bir diðerine serbestçe geçemediði için ve kýlcal etkiler nedeniyle hareketi engellenen adsorbe edilmiþ su, birbirine deðen çimento jelleri arasýnda çok yüksek bir ayrýlma basýncý üretir. Boþluk basýncý mikroçatlak uçlarýndaki gerilme yýðýlmasýný artýrýr ve dolayýsýyla da dýþ yükler altýnda çatlaklarýn çoðalmasýna elveriþli ortam yaratýr. Bu ýslak betonun yük direncinin kuru betonunkine kýyasla az olmasýna yol açar. Betonda su bulunmasý baþka ciddi bozulma mekanizmalarýna da yol açar. 2.2 Donma-çözülme tahribatý Betonda boþluk suyu mevcudiyetinin soðuk mevsimlerde donma-çözülme tahribatýna yol açmasý olasýdýr. Donma-çözülme tahribatýnýn tam olarak anlaþýlamamýþ olan mekanizmasýyla ilgili çeþitli açýklamalar yapýlmaktadýr. Donmaçözülme tahribatý belli bir doygunluk düzeyine ulaþmýþ betonlarda meydana gelir. Su donunca hacmi % 9 artar, bu da betondaki gözenekler üzerinde genleþme basýncý yaratýr. Bu gerilmenin büyüklüðü çekme dayanýmýnýn üstüne çýkarsa çatlaklar oluþur. Sýcaklýk arttýðýnda ise, buzun ýsýl genleþme katsayýsý suyunkinden yüksektir. Bu, betondaki buzun çözülmesi sýrasýnda ýsý yükselirken, beton boþluðu ile buzun farklý ölçülerde genleþmesine yol açar. Bu çevrimin tekrarlanmasý yaygýn çatlaklar nedeniyle dayaným ve rijitlik kaybýna yol açabilir. Donma-çözülme çevrimleri sýrasýnda donan suyun genleþmesine olanak tanýyan nisbeten büyük hava boþluklarýný oluþturmak için genellikle hava sürükleme uygulanýr [Þek. 1]. Beton yüzey üzerinde buz oluþmasýný engellemek için sodyum klorür gibi buz çözücü tuzlar kullanýlmasý halinde donma-çözülme tahribatý artabilir. Tuz çözeltisi boþluk suyunun ozmotik basýncýný artýrýr ve boþluða daha çok su çeker. Donma-çözülme tahribatý ile buz çözücü tuzun birleþmesi genellikle beton yüzeyinin soyulmasý ile sonuçlanýr. 2.3 Zararlý kimyasal etkiler Beton yapýlarýn hizmet ömrü boyunca, mevcut iç etkenler veya hizmet ortamýndaki zararlý kimyasal maddeler nedeniyle bozunmaya yol açan pek çok türde kimyasal reaksiyon meydana gelebilir. Betonun içinde boþluk suyu olarak bulunan su molekülleri, genellikle bu bozunma süreçlerinde önemli bir rol oynar Alkali-silika Reaksiyonu Betonda alkali-silika reaksiyonuna (ASR) boþluk suyundaki alkali hidroksitler ile agregalardaki reaktif silikat mineralleri katýlýr. Sadece opal, silisli þist, kuvarsit, kristalize kuvarsýn bazý türleri gibi belirli agregalar alkali çözeltisiyle reaksiyona girer. Dolayýsýyla ASR tahribatýnýn derecesi agregalarýn bileþimine ve boþluk suyunun alkalitesine baðlýdýr. ASR, alkali-silika jeli üretir, alkali-silika jeli suyu emerek sertleþmiþ betonda genleþir ve beton üzerinde genleþme basýncý yaratýr. Alkali-silika reaksiyonu geçiren betonun yüzeyinde küçük çatlaklar ve iç genleþme nedeniyle bir miktar kabarma olacaktýr. ASR nedeniyle oluþan çatlaklar genellikle sürekli rutubete maruz kalan alanda görülür. Eðer çatlama çok ciddi boyutlardaysa ve yapýsal sorunlar yaratýyorsa yapýnýn yýkýlmasý gerekebilir. 88 HAZIR BETON

4 Article Makale Sülfatlarla reaksiyon Sülfatlar (magnezyum sülfat, sodyum sülfat veya potasyum sülfat) zeminsuyu, deniz suyu ve sanayi atýksuyu gibi dýþarýdan veya sülfattan yana zengin agregalar veya çimentoda aþýrý alçý bulunmasý gibi içeriden kaynaklanabilir. Dýþ kaynaklardan gelen sülfat iyonlarý betonun içine çözelti halinde yayýlýp serbest kalsiyum iyonlarýyla reaksiyona girebilirler, bunun sonucunda alçý oluþur, alçý da kalsiyum alüminat hidratlarýyla reaksiyona girer ve etrenjit (sodyum sülfoalüminat) oluþturur. Her iki reaksiyonun da ürünleri genleþmeye yatkýn ürünlerdir ve oluþan gerilme çekme dayanýmýndan büyük olursa betonda geniþ çapta çatlaklara yol açabilirler. Çimento hamurundaki kalsiyumun bir kýsmý reaksiyonlara katýldýðý için betonun bileþimi ve mikroyapýsý deðiþir. Bunun sonucunda çimento hamuruyla agrega arasýndaki bað zayýflar ve betonun genel dayanýmý azalabilir. Betonun yükseltilmiþ sýcaklýklarda (> 70 Cº) kürlenmesi halinde, beton sertleþtikten sonra gecikmiþ etrenjit oluþumu (DEF) meydana gelebilir. Hidratasyon sýrasýnda oluþan ilk etrenjit ýsý etkisiyle sülfat ve alüminyum oksite ayrýþýr ve C-S-H jelinde depolanýr. Suyla temas edince, dýþarýdan gelen sülfatlardakiyle ayný reaksiyon meydana gelerek etrenjit oluþturur. Bu þekilde tekrar etrenjit oluþmasý çimento hamuruyla agregalar arasýnda bir açýklýk oluþmasýna neden olur. Bu durum çimento hamuruyla agregalar arasýndaki gerilme transferini azaltýr Çelik donatýda korozyon Betonun yüksek alkalinitesi (ph > 12) nedeniyle çelik donatý esas olarak ince bir oksit tabakasý tarafýndan korunur. Ancak beton karbonatlaþmasýnýn ürünleri ve klorür iyonlarýnýn mevcudiyeti bu koruyucu tabakayý tahrip edebilir. Beton yapýlarýn tipik kullanýmý sýrasýnda böyle koþullarla karþýlaþmak mümkündür. Karbonatlaþma betondaki kalsiyum hidroksit ile havadaki veya sudaki karbon dioksit arasýnda bir kimyasal reaksiyondur ve kalsiyum karbonat üretir. Dolayýsýyla karbonatlaþma derecesi betonun porositesine ve nem oranýna baðlýdýr. Karbonatlaþma porositeyi artýrýr fakat ph ýn eþik deðeri olan 10 un önemli ölçüde altýna inmesi nedeniyle de çelik donatýyý korozyon etkisine daha açýk hale getirir. Donatýda karbonatlaþma nedeniyle meydana gelen korozyon genellikle yapýnýn sýk sýk yaðmur alan ya da pas payýnýn yetersiz olduðu alanlarýnda görülür. Karbonatlaþma geçiren beton, yüzeyde bir bölgede oluþan renk deðiþikliðiyle ayýrdedilebilir. Korozyona deniz suyunda, buz çözücü tuzlarda hatta bazý katký türlerinde bulunan klorür iyonlarý da yol açabilir. Klorür iyonlarý beton içinde difüzyon yoluyla ya da mevcut çatlaklardan sýzarak çelik donatýya ulaþabilirler. Klorür difüzyonunun hýzý çimento türüne, kür kalitesine ve sýcaklýða baðlýdýr. Donatý yüzeyindeki klorür iyonlarýnýn miktarý belirli bir eþik deðerini aþtýðýnda, ortamda su ve oksijen bulunmasý koþuluyla korozyon meydana gelecektir. 2.4 Lif Donatýlý Betonlarda Bozulma Mekanizmalarý Lif donatýlý betonlarýn (LDB) sert çevre koþullarý altýnda uzun erimli dayanýklýlýk performansý, lif içeriði nedeniyle normal betona kýyasla daha iyidir. Bir yapýsal LDB elemanýnda baþlangýç kusuru olarak ya da mekanik veya termal yüklemeler neticesinde çatlaklar oluþtuðunda takviye lifleri çekmeye çalýþarak çatlaðýn aðzýný köprüler. Dolayýsýyla LDB nun geçirimliliði azalýr, zararlý kimyasallarýn girerek ana çelik donatýyý etkilemesi zorlaþýr. FRC genellikle rötre çatlamasýna normal betondan daha iyi direnç gösterir [Bentur & Mindess 2007]. LDB normal betondan üstün özelliklere sahiptir ama yine de, sert çevre koþullarýnýn LDB da bozulmaya neden olma potansiyeli vardýr. Baðlayýcý malzemelerde rastlanan tipik bozunma mekanizmalarýna ek olarak LDB da yaþlanma liflerde veya lif ile baðlayýcý matriksin arayüzünde meydana gelebilir. Belirli bir çevre koþulunda farklý türlerde donatý lifleri farklý etkiler gösterebilir. Örneðin özellikle cam lifleri ve organik liflerde alkali boþluk suyunun doðrudan etkisi lif bozunmasýnýn en çok görülen nedenidir Lif Bozunmasý LDB daki lifler alkali boþluk suyuyla reaksiyondan ötürü baðlayýcý matriksin veya betona nüfuz eden kimyasal maddelerin etkisine maruz kalabilir. Cam lifleriyle donatýlý betonlarda (CLDB) ve doðal liflerle takviye edilmiþ betonlarda alkali bozunma aðýr basar [Litherland vd. 1981; West ve Majumdar 1982]. Her iki bozulma mekanizmasýnda da lifleri oluþturan moleküler zincirlerde kopma meydana gelir. Sen vd. [2002] simüle edilmiþ alkali çözeltide býrakýlmýþ E-cam numuneleri üzerinde çekme deneyi yaptýlar. Gerilme altýnda olmayan numunelerde çekme dayanýmýnda % 63 azalma, alkali çözelti ortamýnda 9 ay tutulduktan sonra baþlangýç dayanýmýnýn % 10 u kadar gerilmeye tabi tutulan numunelerdeki çekme dayanýmýnda ise % 70 azalma gözlemlediler. Alkali ortamda tutulurken gerilmeye tabi tutulan numunelerde daha hýzlý bozulma gözlemlendi. Bu da mikroçatlaklarýn, kimyasal difüzyon hýzýný artýrarak bozunmada önemli bir rol oynadýðýna iþaret etmektedir. Daha dayanýklý olduðu ileri sürülen AR-cam (alkali dayanýmlý) liflerinde de rutubetli ortam koþullarýnda dayaným azalmasý görülmüþtür [West ve Majumdar 1982]. Dýþ kimyasal maddelerin etkisi çelik lif donatýlý betonlarda (ÇLDB) daha önemlidir. Deniz ortamýnda klorür iyonlarý ve sülfat iyonlarý buna örnek oluþturur. Mekanizma normal Eylül - Ekim 08 89

5 Makale Article betonarme betonunda meydana gelen, iyonlarýn pasivasyonun (ince tabakayla koruma) ortadan kaybolmasýna ve çelik liflerin yüzeyinde korozyona neden olduðu mekanizmaya benzer. Klorür ve sülfat iyonlarýnýn nüfuz etmesi nedeniyle korozyon yapýsal elemanýn dýþ yüzüne yakýn bir konumda bulunan çelik liflerde meydana gelebilir ve muhtemelen boyut deðiþikliðine yol açar [Hoff 1987; Kosa vd. 1991]. Ancak bozunma, normal betondakinden daha azdýr. Bu durum hizmet sýrasýnda çatlaðý kapatan liflerin varlýðýna atfedilir. Çeþitli deneysel sonuçlar, ÇLDB düþük düzeyde klorür iyonuna maruz býrakýldýðý ve kesitte küçülme gözlemlenmediði koþullarda yapýsal elemanlarýn dayanýmýnýn azalmasýnýn þart olmadýðýný göstermektedir [Granju ve Balouch 2005]. Matrikste kritik bir çatlak geniþliði vardýr, bunun altýndaki deðerlerde çelik liflerde korozyon meydana gelmez. Bu, ÇLDB un dayanýklýlýðýnýn ayný zamanda dýþarýdan uygulanan yüklere de baðlý olduðu anlamýna gelir ki, bu da deneysel sonuçlara uygundur [Sun vd. 2002] Arayüzde mikro yapý deðiþikliði Gerilme kimyasal adhezyon ve mekanik kenetlenme yoluyla gevrek baðlayýcý matriksten liflere arayüz kesme gerilmesi olarak aktarýlýr ve liflerde çekme gerilmelerine yol açar. Bu mekanizmalar liflerin çevresinde matriks bölgesinde oluþur. Porozite daha yüksek olduðu için, bu geçiþ bölgesindeki matriksin mekanik özellikleri, matriksin genel özelliklerinden farklýdýr. Çimento hamurunun devam eden hidratasyonu nedeniyle bu arayüz bölgesinin zaman içinde yoðunlaþmasý mümkündür, bunun sonucu olarak dayanýmýn artmasý fakat tokluðun azalmasý gerçekleþebilir. Nemli ortamda filament lif kümeleri arasýndaki boþlukta daha fazla C-S-H oluþmasý lifler üzerinde gerilme yoðunlaþmasýna yol açarak dayanýmý azaltabilir [Bentur 1985; Soroushian vd. 1993]. Bununla birlikte, bazý lif donatýlý beton türlerinin bozunmaya yol açan çevre koþullarýndan etkilenmediði görülmüþtür. Bunun bir örneði asbestçimento kompozitidir. Burada lifler kimyasal etkiler karþýsýnda diðer lif türleri kadar reaktif deðildir Hacim deðiþikliði LDB ýslanma ve kurumaya maruz býrakýldýðýnda þiþme ve rötre oluþarak liflerle baðlayýcý matriks arasýnda farklý hacim deðiþikliklerine yol açýlabilir. Arayüzde boyut deðiþikliði kýsýtlandýðý zaman iç gerilmelerde artýþ meydana gelir. Bu da matriks ile lifler arasýndaki arayüz boyunca mikroçatlaklara yol açabilir. Donmaçözülme çevriminin ÇLDB üzerindeki etkisini belirlemek için dinamik modül kullanýlmýþtýr. Hava sürükleme normal betonda olduðu gibi, ÇLDB da da donma-çözülme direncini artýrmaya yardýmcý olmaktadýr [Balaguru ve Ramakrishnan 1986]. 3. BAÐLAYICI MALZEMELERÝN DAYANIKLILIÐINI ARTIRMA STRATEJÝLERÝ Baðlayýcý malzemelerin dayanýklýlýðýný artýrmak için bir çok yöntem geliþtirilmiþtir. Donatýnýn korozyonu çelik donatýnýn yerine paslanmaz çelik ve lif donatýlý polimer (FRP) çubuklar veya epoksi kaplanmýþ çelik kullanýlarak önlenebilmektedir. Bu malzemelerin maliyeti daha yüksek olmakla birlikte, gelecekteki bakým ve onarým masraflarýndan yapýlan tasarruf yapýnýn toplam hizmet ömrü maliyetini iyileþtirecektir. Çelik donatýyý katodik korumaya baðlamak da çelikten demir iyonlarýnýn serbest býrakýlmasýný durdurarak korozyonun önlenmesine yardýmcý olacaktýr. Beton karýþtýrýlýrken su-çimento oranýný kontrol altýnda tutmak da çok önemlidir. Su-çimento oraný daha düþük olan beton donma-çözülme tahribatý karþýsýnda daha dayanýklýdýr. Çoðunlukla betonda su bulunmasý bozulma mekanizmalarýnýn ilk iþaretidir. Dolayýsýyla toplam koruma için etkili bir strateji betonun su geçirimliliðini azaltmaktýr. Bu çeþitli þekillerde gerçekleþtirilebilir. Örneðin beton elemanýn yüzeyinin poliüretan veya epoksi bazlý polimerler gibi su geçirimsiz bir malzemeyle kaplanmasý etkilidir fakat her zaman ekonomik açýdan uygulanabilir olmayabilir. Daha ucuz fakat ayný ölçüde etkili bir yöntem de iç donatýlar için yeterli kalitedeki betonla örtmektir zira zararlý kimyasallar diffüzyon yoluyla betonun boþluklarýnda belirli bir derinliðe kadar ilerleyebilirler. Betonun geçirimliliði bileþimindeki malzemelerin her birinin geçirimliliðine ve geometrik düzenine baðlýdýr. Çimento hamurunun geçirimliliði esas olarak boþluk yapýsýna baðlýdýr, bu poroziteyi, boþluk büyüklüðünü ve baðlantýlýlýðý içerir. Boþluk yapýsý da su/çimento oranýnýn ve hidratasyon derecesinin fonksiyonudur. Agregalarýn geçirimliliði çimento hamurununkinden çok daha az olmakla birlikte, betonun geçirimliliðini dört þekilde etkilerler: seyreltme, dolaþýmlýlýk, arayüz geçiþ bölgesi (AGB), ve sýzma (perkolasyon) [Wang et al. 1998]. Seyreltme etkisi, agregalar çimento hamurundan daha geçirimsiz olduðu için meydana gelir. Sonuçta, agrega tanecikleri akýþ yollarýný týkar ve beton kesitindeki geçirimli alaný fiilen küçültürler. Dolaþýmlýlýk etkisi agregalarýn geçirimsizliði neticesinde meydana gelir; bu akýþý agrega taneciklerinin etrafýndan dolaþmak zorunda býrakýr, dolayýsýyla akýþ mesafesini artýrmýþ, akýþ hýzýný azaltmýþ olur. AGB bölgesinde porosite yüksek olduðu için geçirimlilik yüksektir. Sýzma (perkolasyon) terimi AGB yi baðlayan akýþ yolunu tarif eder. Sýzma (perkolasyon) derecesi esas olarak agrega hacmine, boyutuna ve taneler arasý uzaklýða baðlýdýr. Uçucu kül ve 90 HAZIR BETON

6 Article Makale Boþluklar birbirinie baðlý Silis dumaný nedeniyle boþluklar arasýndaki bað kopuk. Þekil 2. Boþluk Baðlantýlýlýðý (a) Normal betonda (b) Yüksek Performanslý Betonda silis dumaný gibi özel malzemelerin eklenmesi betonu önemli ölçüde yoðunlaþtýrarak geçirimliliði azaltacaktýr. Bu düþünce yüksek performanslý betonun (YPB) geliþtirilmesine yol açmýþtýr. Yüksek Performanslý Beton YPB un dayanýklýlýk özelliklerini göz önüne alarak, dayanýklý beton elde etmek için beton karýþýmýný tasarlarken üç kriteri göz önüne almak gerekebileceði ileri sürülmektedir. Bu kriterler dayaným, geçirimlilik ve çatlak direncidir [Shah ve Wang 1997]. Dayaným kriteri betonun projede öngörülen gerilmeye kýrýlmadan dayanabilmesini güvence altýna alýr. Geçirimlilik kriteri, öngörülen hizmet ömrü içinde su ve kimyasal madde iyonlarýnýn zararlý etkilerini asgariye indirmek için betonun sýnýrlý bir akýþ penetrasyon hýzýna sahip olmasýný güvence altýna alýr. Çatlak direnci kriteri ýsýl (termal) büzülme ve kuruma büzülmesi gibi çevre koþullarýndan kaynaklanan çatlaklara karþý asgari bir direnç yeteneði olmasýný güvence altýna alýr. YPB larda agrega arayüz özelliklerinin iyileþtirilmiþ olmasý nedeniyle AGB etkisi azalabilir. Ayrýca çimento hamurunun geçirimliliði agreganýnkine yaklaþtýkça seyrelme, dolaþýmlýlýk ve perkolasyon etkileri azalabilir. Dolayýsýyla betonun geçirimliliðini kontrol altýnda tutmanýn en iyi yolu çimento hamurunun geçirimliliðini kontrol etmektir. Su-çimento oranýnýn azalmasýyla daha düþük porositenin elde edildiðigösterilmiþtir [Powers ve Brownyard 1948]. Porozitede azalma boþluk boyutlarýnda küçülme olmasý ve boþluklar arasýnda baðlantýlarýn kopmasý anlamýna gelir. Bu Þekil 2 de þematik olarak gösterilmiþtir. Betonun geçirimliliði de buna paralel olarak azalýr. Mineral katkýlarýn, özellikle silis dumanýnýn eklenmesi hem boþluk yapýsýný hem de arayüz geçiþ bölgesini iyileþtirebilir. Geçirimlilikte büyük bir azalma olduðu ortaya çýkmýþtýr. YPB lar genellikle dayanýmda artýþ ve geçirimlilikte azalma sergilemekle birlikte, erken rötre çatlaklarý nedeniyle dayanýklýlýðýný kaybedebilir. Bu nedenle, dayanýklý beton üretmek için iyi bir beton karýþýmýnýn yaný sýra, iyi kürlemeyi de içeren iyi yapým uygulamasýnýn þart olduðunu vurgulamak zorundayýz. YPB larda kendiliðinden kuruma (self desication), hidratasyon reaksiyonunun ortaya çýkmasýnýn ilk aþamalarýnda kontrol altýna alýnmazsa dayanýklýlýk açýsýndan çok zararlý olabilir. YPB larýn kürlenmesi normal dayanýmlý betonlarýnkinden farklý bir þekilde yapýlmak zorundadýr. Yetersiz kürlemenin geçirimliliði artýrdýðý ve yüzey çatlaklarýna neden olduðu gösterilmiþtir [Guse ve Hilsdorf 1995]. HPC lerin geçirimliliði daha az olduðu için, YPB larda beton döküldükten sonra en az yedi gün suyla kürleme uygulamasý yapýlmalýdýr [Aitcin 2003]. Düþük su-çimento oranýna ve çok kompakt bir mikroyapýya sahip betonun geçirimliliðini doðru tayin etmek basit bir iþ deðildir. Örneðin 0.7 su-çimento oranýna sahip betonda su akýþýný ölçmek kolaydýr fakat 0.4 su-çimento oranýna sahip betonda, numunenin kalýnlýðý ve uygulanan basýnç ne olursa olsun su akýþý neredeyse durur [Aitcin 2003]. Bu teknik problem göz önüne alýndýðýnda, hýzlý klorür iyonu geçirimliliði testi (AASHTO T-277) denilen test betonun içindeki su akýþýna izin veremeyecek kadar küçük gözeneklerin birbirleriyle baðlantýlýlýðý hakkýnda yaklaþýk bir fikir verir. Klorür iyonu geçirimliliði Coulomb (C) cinsinden ifade edilir ve 6 saatlik test sýrasýnda üzerine 50V elektrik potansiyel farký uygulanan bir beton numuneden geçen toplam elektrik yüküne karþýlýk gelir. Suçimento oraný düþük beton numuneler üzerinde hýzlý klorür iyonu geçirimliliði testi uygulandýðýnda, numuneden geçen Coulomb miktarý önemli ölçüde azalmýþtýr. Su-çimento oraný 0.25 olan Eylül - Ekim 08 91

7 Makale Article YPB larda klorür iyonu geçirimliliðinin 150 C gibi çok düþük seviyelere kadar indirilebildiði rapor edilmiþtir. Bu deðer normal dayanýmlý beton için rapor edilen C den çok daha düþüktür [Gagne et al. 1993]. Hýzlý klorür iyonu testi ayný zamanda su-çimento oraný azaldýkça boþluk sisteminin baðlantýlýlýðýnýn da çok büyük ölçüde azaldýðýný ortaya çýkartmaktadýr; bu da YPB da zararlý iyonlarýn ve gazlarýn normal dayanýmlý betona kýyasla daha zor hareket etmesini saðlamaktadýr. Ayný ortamda yüksek dayanýmlý betonun hizmet ömrünün normal dayanýmlý betondan fazla olmasý gerektiðinin en iyi göstergesinin bu olduðu düþünülmektedir [Aitcin 2003]. Suyun dýþarýdan YPB un yoðun matriksinin içine nüfuz edemeyeceði ve dolayýsýyla da YPB un düþük geçirimliliði nedeniyle yapýsal elemanýn iç kýsmýndaki çimentonun çoðuna ulaþamayacaðý ileri sürülmektedir. Bu problemi çözmek için betonu iç çekirdekten kürlemek önerilmiþtir. Otojen kürlemenin YPB un dayanýklýlýðýný artýrma konusunda çok etkili olduðu görülmüþtür [Weber ve Reinhardt 1997; Reinhardt ve Weber 1998]. Yüksek nem oranýna sahip hafif, genleþmiþ kil agrega sürekli hidratasyonu desteklemek için bir iç su deposu iþlevi görmek üzere karýþýma eklenir. Bu tür betona kendiliðinden kürlenen beton denir. Uygulamada kendiliðinden kürlenen beton dýþarýdan kürleme gerektirmez. Bu da betonun yetersiz iþçilik nedeniyle yapýlacak kusurlu dýþ kürlemenin vereceði zarara maruz kalmayacaðý anlamýna gelir. 4. ÇOKLU MALZEMELÝ SÝSTEMLERDE DAYANIKLILIK KONUSUNDA BAÞA ÇIKILMASI GEREKEN SORUNLAR Çoklu malzemeli sistem, istenen bir iþlevi yerine getirmek için birbirine baðlý bir birim olarak çalýþan birden fazla malzemeden oluþan sistem olarak tanýmlanabilir. Çeþitli malzemeleri birleþtirerek bir yapýsal sistem yaratmak geleneksel malzemelerle yapýlmasý daha önce mümkün olmayan yeni tür uygulamalara yol açmýþtýr. Örnek olarak lif donatýlý polimer kompozitler (LDP) ve beton yapýlar için LDP güçlendirme sistemi verilebilir [Þek 3a]. Bu tür uygulamalarda katmanlar yapýþtýrýcý bir malzemeyle birbirine baðlanýr. Bu yapýþtýrýcý malzeme organik ya da inorganik polimer bazlý olabilir. Þekil 3b de gösterildiði gibi, iki katman arasýndaki arayüzün mevcudiyeti baðlama sistemlerinin dayanaklýlýðýnýn belirlenmesine iliþkin zorlu bir problemi gündeme getirir. Bir çok uygulamada, ayrý ayrý malzemelerin dayanýklýlýðý gereðince belgelenmiþ durumdadýr. Ancak arayüzün özellikleri bileþenlerin özelliklerinden önemli ölçüde farklý olabilir; konuya özel bir ilgi gösterilmesi gereklidir. Çünkü katmanlar arasýndaki kimyasal reaksiyonun adhezyon kuvvetlerini etkilemesi arayüzde özellik deðiþikliklerine neden olmaktadýr [Petrie 2006]. Bozunma mekanizmasý malzemelerin tek tek ele alýnmasý halindeki mekanizmadan çok farklý olabilir ve arayüzde kýrýlma olasýlýðý vardýr. Çoklu malzemeli sistemlerde bozunmanýn belli baþlý üç nedeni sýcaklýk deðiþimi, nem difüzyonu ve zararlý kimyasallardýr. 4.1 Sýcaklýk deðiþimi Yapýsal yapýþtýrýcýnýn mekanik davranýþý kürleme ve hizmet sýcaklýðýna baðlýdýr. Cam geçiþ sýcaklýðýna (Tg) yakýn sýcaklýklarda polimer yapýþtýrýcýdaki zincir hareketliliði artarak yapýþtýrýcýnýn viskoelastik davranmasýna yol açar. Bu koþula uzun bir süre maruz kaldýktan sonra, ayný sürekli yük altýndaki yapýþtýrarak baðlanmýþ yapýsal elemanlarda sünme ve ýsýl büzülme gözlemlenebilir. Bu halde yapýþtýrýcý daha az gevrek hale gelse de kesme dayanýmý azalýr, bu da LDP güçlendirme sistemi gibi (a) (b) Þekil 3. (a) LDP güçlendirme sistemine örnek, (b) Arayüz bölgesinin þematik resmi 90 HAZIR BETON

8 Article Makale uygulamalarýn verimini azaltýr. Aþýrý ýsýya uzun bir süre maruz kalmak yapýþtýrýcýda piroliz ve oksidasyon denilen iki mekanizmayla bozulmaya yol açar [Petrie 2006]. Piroliz zincirin kopmasýna, moleküler aðýrlýðýn azalmasýna ve yapýþtýrýcý kuvvetin yitirilmesine yol açar. Oksidasyonda yapýþtýrýcýdaki serbest radikaller ile havadaki ve belirli madeni katmanlardaki oksijen reaksiyona girer. Bunun sonucu yapýçtýrýcý kuvvette azalma ve arayüzde zayýf sýnýr katmaný oluþur. Yüksek sýcaklýkta kürlenen yapýþtýrýcýlar için, yapýþtýrýcý ortam ýsýsýnda kullanýldýðýnda veya servis ortamýnda yüksek ve alçak sýcaklýklar arasýnda sürekli ýsý deðiþimi söz konusu olduðunda arayüzde genellikle gerilme oluþur. Yapýþtýrýcýyla katmanýn ýsýl genleþme katsayýlarý arasýndaki fark sýcaklýk deðiþirken arayüzde gerilme uyumsuzluðuna neden olur. Isý deðiþme çevrimi sürerse yorulma sonucu kýrýlma meydana gelebilir. 4.2 Nem difüzyonu Genel olarak nemin yapýþtýrýcý üzerindeki etkisinin büyük ölçüde eski haline getirilebilir olduðu (ancak yapýþtýrma baðlantýlarý için her zaman geçerli olmayabilir) ve bozulan mekanik özelliklerin kuruyunca düzeleceðine inanýlýr. Düzelmenin ölçüsü yapýþtýrýcýnýn kimyasal bileþimine baðlýdýr. Yapýþtýrýcý malzeme içine nüfuz eden nem iki türde olabilir: serbest su (denge suyu) veya baðlý su (su fazlasý) [Popineau, 2005]. Serbest su epoksi reçinesinin serbest hacmine yerleþir ve þiþmeye yol açmaz. Öte yandan baðlý su hidrojen baðý üzerinden polimer zinciriyle kimyasal reaksiyona girerek zinciri bozar, zincir hareketlenmesini artýrýr, þiþmeye neden olur. Bir baþka deyiþle, adsorpsiyon meydana gelince etkili çapraz-bað yoðunluðu azalýr. Bu, özellikleri plastikleþtirme yoluyla geri çevrilebilir, çatlama ve hidroliz yoluyla da geri çevrilemez þekillerde deðiþtirebilir [Comyn, 1997]. Yapýþtýrýcýda ve yapýþma arayüzünde þiþme gerilmesine ve dayanýmýn azalmasýna da neden olabilir. Þekil 4 nem ortamýnda yapýþtýrýcýyla katman arasýndaki ikincil baðlarýn tahrip olmasýný þematik olarak göstermektedir. Nemin, hem normal ortamda kürlenen yapýþtýrýcýlar hem de ýsýyla kürlenen yapýþtýrýcýlar için elastisite modülü, Tg ve ýsýl genleþme katsayýsýný azaltarak, termosetlerin (bu örnekte epoksi reçinesi) özelliklerini olumsuz etkilediði anlaþýlmýþtýr. Bu, LDP ile güçlendirilen yapýlar gibi hemen hemen her zaman normal ortamda kürlenen yapýþtýrýcýlarýn kullanýldýðý sanat yapýsý uygulamalarý için özellikle kritik olabilir. Soðuk kürlenen yapýþtýrýcýlarýn tipik camlaþma sýcaklýðý, hizmet sýcaklýðý üst sýnýrý civarýnda, 40 C 60 C aralýðýndadýr. Camlaþma sýcaklýðýnýn nemle daha da fazla alçalmasý yapýþtýrýcý malzemelerin normal hizmet koþullarýnda viskoelastik davranýþ gösterdiði, zaman içinde gerilme aktarýmýný azalttýðý ve güçlendirme uygulamasýný boþa çýkardýðý anlamýna gelecektir. Öte yandan, nemin plastikleþtirme etkisi, plastik deformasyonun artmasý ve çatlak ucu kütleþmesinin saðladýðý yapýþtýrýcýlarýn kýrýlma tokluðununun artmasýna neden olur [Kinloch 1982]. Ancak artan kýrýlma tokluðunu gereðince dengelemek için kohezyon dayanýmý azaltýlabilir [Antoon and Koenig 1980; Hutchinson 1986]. 4.3 Zararlý Kimyasallar Yüksek çapraz bað yoðunluðuna sahip yapýsal yapýþtýrýcýlarýn çoðu Tg den düþük derecelerde kimyasal etkilere karþý bir ölçüde dirençlidir. Bütün uygulamalarda kullanýlan ince yapýþtýrýcý tabakalarý da zararlý kimyasallarýn yapýþtýrýcý içine taþýnmasýný azaltmaya yardýmcý olur. H 2 O Molekülü Polimer Aðý Polimer ve katman arasýndaki saðlam baðlar H 2 O Molekülleri tarafýndan yok edilen baðlar Þekil 4. Su moleküllerinin yapýþtýrýcý ile katmanýn arayüzü üzerindeki etkisi. Adhezyon mekanizmalarýndan birinin yapýþtýrýcý ile katman arasýnda hidrojen baðlanmasý olduðu bilinmektedir. Ancak nem koþullarýnda bu baðlar da polimer zincirleri arasýndaki bað da hidrolizle kýrýlabilir. Eylül - Ekim 08 91

9 Makale Article Her durumda, klorür ortamlarý yapýþtýrma baðlantýlarý için bütün diðer kimyasallardan daha fazla tehlike oluþturur. Metal katmanlý yapýþtýrma baðlantý klorür etkisine özellikle açýktýr, arayüzde zayýf bir tabaka yaratýr [Petrie 2006]. Bu uygulamada korozyonu engellemek için yüzeyin hazýrlanmasý ve metal katmanlar üzerine astar boya yapýlmasý gereklidir. 4.4 Lif donatýlý Polimer Kompozit Güçlendirme Sistemlerinin Dayanýklýlýðýyla Ýlgili Çalýþmalar Beton / LDP ve çelik/ LDP sistemleri gibi yapýþtýrýlmýþ sistemlerin dayanýklýlýðýný ve temel mekanizmalarýný anlamak için genellikle iki tip yaklaþýmý temel alan çalýþmalar yapýlmýþtýr: Dayaným eksenli yaklaþýmlar ve kýrýlma eksenli yaklaþýmlar. Dayaným eksenli yaklaþýmda çalýþmalarýn çoðu kýrýlma dayanýmý, rijitlik ve deformasyon gibi dayaným parametrelerinin belirlenmesini kapsar. Farklý sert çevre koþullarýna baðlý olarak bu parametrelerde meydana gelen deðiþiklikleri saptamak için çeþitli numune konfigürasyonlarý kullanýlmýþtýr. Bu koþullar, farklý kimyasallara uzun süre maruz kalmak, ýslanma-kuruma çevrimleri, donma-çözülme çevrimlerini içermektedir, bunlarýn hepsi de ele alýnan yapýþtýrýlmýþ sistemin hizmet süresi içinde karþýlaþmasý beklenebilecek koþullardýr. Sýnýrlý sayýda araþtýrma LDP ile güçlendirilmiþ sistemlerin yapýsal performansýnýn çeþitli çevre koþullarýnýn etkisinden zarar görebildiðini ve LDP /beton arayüz bölgesinde ayrýlmanýn bu tür zamanýndan evvel kýrýlmalarda önemli rol oynayabildiðini göstermiþtir. Ayný koþullandýrma süresi içinde rijitlikteki düþmenin derecesi büyük ölçüde kullanýlan LDP türüne baðlýdýr. LDP ile güçlendirilmiþ beton kiriþleri ýslanma/kuruma çevrimlerine tabi tutarak yapýlan testlerde çoðunlukla koþullandýrma sonrasýnda eðilme rijitliðinde ve kýrýlma dayanýmýnda azalma kaydedilmiþtir. Tommaso vd. [2001] sýcaklýðýn yapýþtýrýlmýþ sistem üzerindeki etkisini incelemek için sýcaklýk altýnda koþullandýrýlmýþ LDP levhalarla güçlendirilmiþ kiriþlerde (FRP-plated beams) üç-nokta eðilme deneyleri yapmýþlardýr. Koþullandýrma sýcaklýðý 40 ºC tan -100 ºC ye düþürülürken kýrýlma biçiminin sünek kýrýlmadan gevrek kýrýlmaya dönüþtüðü görülmüþtür. Karbhari ve Engineer [1996] ve Grace [2004] tarafýndan yapýlan deneysel çalýþmalarda tuzlu su, nem, sýcaklýk ve alkaliklik gibi bir dizi çevre koþulunun LDP ile güçlendirilmiþ beton kiriþ elemanlarýnýn yapýsal performansý üzerindeki etkisi incelemiþlerdir. Özellikle nem etkisinin, sistemin zamanýndan önce bozulmasýna yol açan önemli bir çevresel bozulma mekanizmasý olduðu saptanmýþtýr. Adezyon kaybýnýn belli baþlý bozunma biçimlerinden biri olduðu gözlemlenmiþtir[grace 2004]. Bu araþtýrmalarýn nemin zararlý etkisiyle ilgili bulgularý, hýzlandýrýlmýþ ýslanma/kuruma çevrimlerine tabi tutulan LDP -levhalý beton üzerinde yapýlmýþ sýnýrlý sayýda baðýmsýz araþtýrmayla uyum içindeydi. Böyle bir çevrime tabi tulmanýn kýrýlma dayanýmýnda ve rijitlikte azalma yarattýðý genel olarak gözlemlenmiþti. Chajes vd. [1995] 100 ýslanma/kuruma çevrimine tabi tutulan (cam lifi donatýlý plastik) CLDP ve (karbon lifi donatýlý plastik) KLDP ile güçlendirilmiþ numunelerin kýrýlma dayanýmlarýnda % 20% ila % 30 azalma olduðunu rapor etmiþti. Bir araþtýrmada (Myers vd., 2001), cam LDP yapýþtýrýlmýþ numunelerin 20 ýslanma/kuruma çevriminden sonra eðilme rijitliklerinde % 85 e varan bir kayýp olduðu, buna karþýlýk karbon LDP yapýþtýrýlmýþ numunelerde bu kaybýn % 55 olduðu deneysel olarak belirlendi. Ayný test dizisinde, aramit LDP yapýþtýrýlmýþ numunelerin ikisi arasýnda bir yerde olduðu görüldü. Nihai kýrýlma yükünün deðeri de kullanýlan epoksi sistemler baðlý olarak farklý derecelerde azalýr. Bir araþtýrmada [Toutanji ve Gomez 1997], tuzlu su içinde 300 ýslanma/kuruma çevrimine tabi tutulan LDP levhalý beton kiriþlerde % 33 e varan dayaným kayýplarý gözlemlendi. Göçme genellikle LDP /beton arayüzü yanýnda meydana gelen bir adhezyon kaybý biçiminde rapor edildi. Cam LDP çift bindirmeli kesme numunelerinin kullanýldýðý araþtýrmada [Mukhopadhyaya vd. 1998] ýslanma/kuruma koþullandýrmasý neticesinde kayma sýyrýlmasý artýþý meydana geldi; ancak bu etkiye maruz býrakýlmanýn yol açtýðý hasarýn ortalama kesme gerilmesinin miktarýný saptamakla geçerli bir þekilde kanýtlanamayacaðý sonucuna varýldý. Kýrýlma eksenli yaklaþýmda, bozulma parametresi genellikle farklý düzeylerde çevre etkileri için kýrýlma tokluðu veya enerji býrakma hýzýdýr. Bu yaklaþýmýn dayaným eksenli yaklaþýma göre avantajý, ele alýnan yapýsal sisteme bakýlmaksýzýn arayüz kýrýlma tokluðunun çoklu malzemeli sistemin ayrýlma direnci olarak kabul edilmesidir. Sürekli temiz su ve sentetik deniz suyu (ya da tuzlu su) etkisine maruz býrakýlan cam ve karbon LDP yapýþtýrýlmýþ betonun dayanýklýlýðýna iliþkin kýrýlma özellikleri bir sýyýrma deneyiyle belirlenmiþtir [Karbhari vd. 1997]. Bu deneylerden suya veya deniz suyuna kýsa süreli maruz býrakýlmanýn Mod I kýrýlma tokluðunun düzeyi üzerinde çok az etkisi olduðu fakat Mod II kýrýlma tokluðunda önemli bir azalma gözlemlendiði sonucuna varýlmýþtýr. Sýcaklýk yükselmesi hem Mod I hem de Mod II kýrýlmada daha fazla bað bozulmasýna yol açmaktadýr [Þek 5] [Au ve Büyüköztürk 2006]. Modifiye çift konsollu kiriþler üzerinde donma/çözülme ve ýslanma/kuruma çevrimlerinden sonra yapýlan testler LDP /beton baðýnýn kýrýlma tokluðunda 90 HAZIR BETON

10 Article Makale Þekil 5. Nemin KLDP/beton arayüzün kýrýlma tokluðu üzerindeki etkisi; Mod I ve II þeklinde yüklenmiþ kýrýlma numunelerinden elde edilmiþtir (Au ve Büyüköztürk, 2006) da belirgin bir azalma göstermektedir [Qiao and Xu 2004]. Nem, yapýþtýrýcý baðý sadece yapýþtýrýlmýþ sistemler hizmete girdikten sonra deðil, ayný zamanda LDP nin beton yüzey üzerinde uygulanmasý sýrasýnda da etkiler. Yüzeyi nemli olan betona yapýþtýrýlmýþ KLDP üzerinde modifiye konsollu kiriþ kullanarak yapýlan testler hem kuru hem de nem koþullandýrmalý numuneler için yapýþma dayanýmýnda azalma göstermiþtir [Wan vd., 2006]. Hem cam hem de karbon LDP yapýþtýrýlmýþ beton sistemlerindeki bozunma tarzýnda nem koþullandýrmasý öncesinde ve sonrasýnda deðiþiklik gözlemlenmiþtir. Kontrol numunelerinde genellikle geleneksel beton kýrýlmasý tipinde bozunma görülmüþ, oysa nem ile koþullandýrýlmýþ numunelerde bozunma en çok epoksi/ LDP arayüzünde ya da epoksi/beton arayüzünde meydana gelmiþtir [Þek 6]. Bu, su moleküllerinin yapýþtýrýcý bað içindeki varlýðýnýn arayüz zayýflatma mekanizmasýný harekete geçirdiðine iþaret eder. Nem etkisiyle bozulma genellikle ya beton ayrýlmasý (delaminasyon) ya da beton-epoksi arayüz ayrýlmasý þeklinde meydana geldiði için, bazý araþtýrmalar iki malzemeli sistemlerdeki bozunma derecesini belirlemeye ayrýlmýþtýr. Ýki malzemeli numunelerde yapýlan kýrýlma deneylerinin sonuçlarý beton ile epoksi arasýndaki arayüzün neme maruz kalma nedeniyle zayýfladýðýný göstermiþtir [Frigione vd. 2006]. 5. SONUÇ Dayanýklýlýk konusunu anlamak, sanat yapýlarýnýn tasarýmý ve hizmet ömrü analizi açýsýndan önemlidir. Baðlayýcý malzemelerdeki belli baþlý bozunma mekanizmalarý nem diffüzyonu, donma-çözülme tahribatý, zararlý kimyasal etki ve sýcaklýk deðiþimleridir. Bozunmayý önlemek ya da geciktirmek için kullanýlabilecek pek çok yöntem vardýr. Bütün bu bozulma süreçlerinin baþlangýç noktasý betondaki nem olduðuna göre, en etkili koruyucu önlem betonun su geçirimliliðini azaltmaktýr; zaten yüksek performanslý beton bu çizgiden hareketle geliþtirilmiþtir. Birden fazla (a) (b) Þekil 6. Kýrýlma yüzeyinin kuru örnekte beton ayrýlmasýndan (delaminasyon) (a) yaþ örnekte arayüz ayrýlmasýna geçiþi (b) [Au ve Büyüköztürk, 2006] Eylül - Ekim 08 91

11 Makale Article malzemenin birleþtirilmesi, beton yapýlar için LDP güçlendirme sistemi gibi yeni uygulama türlerini ortaya çýkartmaktadýr; ancak bu sistemler gündeme çoklu malzemeli sistemlerin dayanýklýlýðýnýn belirlenmesi konusunda baþa çýkýlmasý gereken yeni sorunlar getirirler. Bu tür yapýsal sistemleri tasarlarken ve bakým planlamasýný yaparken arayüzde bozulma ihtimali göz önüne alýnmak zorundadýr. KAYNAKÇA [1] Antoon, M. K. & Koenig, J. L. 1980, Journal of Macromolecular Science Reviews of Macromolecular Chemistry, C19(1), s [2] Aitcin, P.C. 2003, The durability characteristics of high performance concrete: a review, Cement and Concrete Composite, Cilt. 25, s [3] Balaguru, P. N. & Ramakrishnan, V. 1986, Freeze-thaw durability of fiber reinforced concrete, Journal of American Concrete Institute, Cilt. 83. [4] Bazant, Z. P. & Prat, P. C. 1988, Effect of temperature and humidity on fracture energy of concrete, ACI Materials Journal, Baþlýk No. 85-M32. [5] Bentur, A. 1985, Mechanisms of potential embrittlement and strength loss of glass fibre reinforced cement composites, Proc. Durability of Glass Fiber Reinforced Concrete Symp., PCI, Chicago, IL, s [6] Bentur, A. & Mindess, S. 2007, Fibre Reinforced Cementitious Composites, 2nd Edition, Taylor & Francis, New York. [7] Au, C. & Büyüköztürk, O. 2006, Peel and Shear Characterization of Debonding in FRP Plated Concrete Affected by Moisture, Journal of Composites for Construction, Cilt 10, Sayý 1, s [8] Au, C. & Büyüköztürk, O. 2006, Debonding of FRP Plated Concrete: A Tri-layer Fracture Treatment, Engineering Fracture Mechanics, Cilt 73, No. 3, s [9] Chajes, M. J., Thomson, T. A. Jr. & Farschman, C. A. 1995, Durability of Concrete Beams Externally Reinforced with Composite Fabrics, Construction and Building Materials, Cilt 9, No.3, s [10] Comyn J. 1997, Environmental (Durability) Effects, iç. Adhesive Bonding: Science, Technology, and Application, der. Adams R. D. CRC Press. [11] Day, R. L., 1992, The Effect of Secondary Ettringite Formation on the Durability of Concrete: A Literature Analysis, RD108, Portland Cement Association. [12] Dhir, R.K., Jones, M.R. & Ng, L.D. 1993, PFA concrete: chloride diffusion rates, Magazine of Concrete Research, Cilt 45, No. 182 s [13] Francy, O. & Francois, R. 1998, Measuring chloride diffusion coefficient from non-steady state diffusion tests, Cement and Concrete Research, Cilt 28, No. 7, s [14] Frigione, M., Aiello, M. A. & Naddeo, C. 2006, Water effect on the bond strength of concrete/concrete adhesive joints, Construction and Building Material, No. 20, s [15] Grace, N. F. 2004, Concrete Repair with CFRP, Concrete International, Mayýs, s Gagne, R., Lamothe, P., & Aitcin, P.C. 1993, Chloride ion Permeability of Different Concretes, Proceedings of the Sixth International Conference on Durability of Building Materials Components, Omiya, Japonya, 1993, s [16] Hutchinson, A. R. 1986, Durability of Structural Adhesive Joints, Doktora Tezi, Dundee University, UK. [17] Granju, J. L. & Balouch, S. U. 2005, Corrosion of steel fiber reinforced concrete from the cracks, Cement and Concrete Research, Cilt 35. [18] Guse, U. & Hilsdorf, H. K. 1995, Surface cracking of high strength concrete, iç. High Performance Concrete: Material Properties and Design, der. F.H. Wittmann & P. Schwesinger, Aedificatio, Freiburg, Almanya. [19] Hoff, G. C. 1987, Durability of fiber reinforced concrete in a severe marine environment, Proceedings, Katherine and Bryant Mther International Symposium on Concrete Durability, ACI, Detroit, SP100, Cilt 1, s [20] Karbhari, V. M. & Engineer, M. 1996, Effect of Environmental Exposure on the External Strengthening of Concrete with Composites Short Term Bond Durability, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Cilt 15, s [21] Karbhari, V. M., Engineer, M. & Eckel II, D. A. 1997, On the durability of composite rehabilitation schemes for concrete: use of a peel test, Journal of Material Science, Cilt 32, No. 1, s [22] Kinloch, A. J., Little, M. S. G. & Watts, J. F. 2000, The Role of the Interface in the Environmental Failure of Adhesive Joints, Acta mater., Cilt 48, s [23] Konvalinka, P. 2002, Effect of 90 HAZIR BETON

12 Article Makale moisture content of concrete specimen on its stress-strain diagram in compression, CTU Reports, Czech Technical University in Prague, Cilt 6 (2), s [24] Kosa, K., Naaman, A. E. & Hansen, W. 1991, Durability of fiber reinforced mortar, ACI Materials Journal, Cilt 88. [25] Litherland, K. L., Oakley, D. R. & Proctor, B. A. 1981, The use of accelerated aging procedures to predict the long term strength of FRC composites, Cem. Concr. Res., s [26] Mukherjee, A. & Arwikar, S. 2007, Performance of externally bonded GFRP sheets on concrete in tropical environments. Part II: Microstructural tests, Composite Structures, Cilt 81, s [27] Mukhopadhyaya, P., Swamy, R. N. & Lynsdale C. J. 1998, Influence of Aggressive Exposure Conditions on the Behavior of Adhesive Bonded Concrete GFRP Joints, Construction and Building Materials, Cilt12, s [28] Myers, J. J., Murthy, S. S. & Micelli, F. 2001, Effect of Combined Environmental Cycles on the Bond of FRP Sheets to Concrete, Proceedings Composites in Construction, 2001 International Conference, Porto, Portekiz. [29] Neville, A. 1997, Properties of Concrete, 4th baský, Wiley & Sons. [30] Petrie, E. M. 2006, Epoxy Adhesive Formulations, McGraw-Hill, New York. [31] Popineau, S., Rondeau-Mouro, C., Sulpice-Gaillet, C., Shanahan, M. E. R. 2005, Free/bound water absorption in an epoxy adhesive, Polymer, Cilt 46, s [32] Powers, T. C. & Brownyard, T. L. 1948, Studies on the physical properties of Hardened Portland Cement Paste, PCA Research Bulletin, 22, Mart. [33] Qiao, P. & Xu, Y. 2004, Effects of Freeze-thaw and Dry-wet Conditionings on the Mode-I Fracture of FRP-concrete Interface Bonds, Earth & Space 2004, ASCE, s [34] Reinhardt, H.W. & Weber, S. 1998, Self-curing high performance concrete, Journal of Materials in Civil Engineering, Nov 1998, s [35] Ross, C. A., Jerome, D. M., Tedesco, J. W. & Hughes, M. L. 1996, Moisture and strain rate effects on concrete strength, ACI Materials Journal, Cilt 93, No. 3, s [36] Sen, R., Mullins, M. & Salem, T. 2002, Durability of E-glass/vinylester reinforcement in alkaline solution, ACI Structural Journal, Cilt 99, No. 33, s [37] Shah, S.P. & Wang, K. 1997, Microstructure, Microcracking, Permeability, and Mix Design Criteria of Concrete, The Fifth International Conference on Structural Failure, Durability and Retrofitting, Singapur, Kasým 27-28, s [38] Soroushian, P., Tlili, A., Yohena, M. & Tilsen, B. 1993, Durability characteristics of polymer-modified glass fiber reinforced concrete, ACI Materials Journal, Cilt 90, No. 1. [39] Sun, W., Mu, R., Luo, X. & Miao, C. 2002, Effects of chloride salt, freeze-thaw cycling and externally applied load on the performance of the concrete, Cement and Concrete Research, Cilt 32. [40] Tommaso, A. D., Neubauer, U., Pantuso, A. & Rostasy, F.S. 2001, Behavior of Adhesively Bonded Concrete-CFRP Joints at Low and High Temperature, Mechanics of Composite Materials, Cilt37, No.4, s [41] Toutanji, H. A. & Gomez, W. 1997, Durability Characteristics of Concrete Beams Externally Bonded with FRP Composite Sheets, Cement and Concrete Composites, Cilt19, s [42] U.S. Department of Transportation, 2006 Status of the Nation s Highways, Bridges, and Transit: Conditions and Performance. [43] Wan, B., Petrou, M. F. & Harries, K. A. 2006, The Effect of the Presence of Water on the Durability of Bond between CFRP and Concrete, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Cilt 25, No. 8, s [44] Wang, K., Igusa, T. & Shah, S.P. 1998, Permeability of concrete relationships to its mix proportion, microstructure, and microcracks, Material Science of Concrete: Sidney Diamond Symposium, Özel Cilt, Wiley. [45] Weber, S. & Reinhardt, H.W. 1997, A new generation of high performance concrete: concrete with autogenous curing, Advanced Cement Based Materials, Cilt 6, s [46] West, J. M., & Majumdar, A. R. 1982, Strength of glass fibres in cement environments, J. Mat. Sci. Letters, s Eylül - Ekim 08 91