Metakaolin Katkılı Betonların Sülfat Dayanıklılığının İncelenmesi

Transkript

1 Metakaolin Katkılı Betonların Sülfat Dayanıklılığının İncelenmesi Erhan Güneyisi Mehmet Gesoğlu Gaziantep Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölumü, 27310, Gaziantep Tel: (342) ; E-Posta:; Kasım Mermerdaş Gaziantep Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölumü, 27310, Gaziantep Tel: (342) Öz Betonda yaygın olarak görülen en önemli bozulma nedenlerinden birisi sülfat etkisidir. Yüksek yoğunlukta sülfat iyonlarına maruz kalan beton tamamen tahrip olabilmektedir. Bu çalışmada, değişik oranlarda metakaolin (MK) katkılı betonların sülfat dayanıklılık özellikleri üzerine su-bağlayıcı oranının, başlangıç kürünün ve başlangıç kürü sonrası farklı ortam koşullarının etkisi karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Su-bağlayıcı oranı 0.35 ve 0.55 olan toplam altı farklı karışım içerisinde bağlayıcı olarak yalnız portland çimentosu ve portland çimentosu ve metakaolin birlikte kullanılmıştır. Bu karışımlarda metakaolin ağırlıkça %10 ve %20 oranında portland çimentosu ile yer değiştirilerek kullanılmıştır. Her bir karışımdan 108 adet 100x100x100-mm boyutlarında küp numuneler üretilmiştir. Üretilen numuneler 24 saat sonra kalıptan çıkartılmış ve 28 gün buyunca iki farklı başlangıç kürüne tabi tutulmuştur. Birinci başlangıç küründeki numuneler sürekli havada ikinci başlangıç küründeki numuneler ise sürekli suda bekletilmişlerdir. 28 günlük başlangıç kürü sonrası numuneler üç eşit gruba ayrılmış ve üç farklı ortam koşuluna maruz bırakılmıştır. Birinci koşulda, numuneler deney zamanına kadar suda bırakılmış (kontrol numuneleri), ikinci koşulda ise, numuneler %10 Na 2 SO 4 çözeltisinde sürekli olarak bekletilmiş, diğer üçüncü koşulda ise numuneler aynı çözeltide ancak ıslama-kuruma etkisine maruz bırakılmışlardır. Islamakuruma çevrimi her 10 günde bir periyodik olarak yapılmıştır. Daha sonra, 0, 60, 90, 180, 270 ve 365 gün su ve sodyum sülfat etkisine maruz bırakılan numunelerde basınç dayanımındaki değişimler saptanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, beton üretiminde MK kullanımı betonun sülfat direncini önemli ölçüde artırdığı görülmüştür. Ayrıca, özellikle suda kür edilmiş MK katkılı betonlarda MK katkı oranının %20 ye ulaştığı betonların performanslarında önemli düzeyde iyileşme tespit edilmiştir. Islama-kuruma çevrimine maruz kalan beton numunelerde daha olumsuz sonuçlar elde edilmiştir. Anahtar sözcükler: Beton, Dayanıklılık, Islama-Kuruma, Metakaolin, Ön kür, Sülfat Direnci 259

2 1. Giriş Sülfat etkisi betonarme yapıların uzun süreli dayanıklılığını kötüleştiren en önemli çevresel etkilerden biridir. Sülfat etkisi betonda genişlemeye, dayanımın zaman içinde giderek düşmesine ve kütle kaybına neden olmaktadır. Bu da temel, köprü ayağı, beton borular gibi inşaat mühendisliği yapılarına zarar vermektedir (Al-Akhras, 2006). Ayrıca, düşük seviyeli nükleer atıklar da belli düzeylerde sülfat iyonu içerdiğinden dolayı özellikle yer altı yapılarında ciddi korozyon hasarına neden olmaktadır. Sülfatın betona etkisi, hidrate Portland çimentosu ile sülfat iyonları arasında meydana gelen kimyasal reaksiyonlar yoluyla olur (Al-Amoudi, 1997; Neville, 2004; Nehdi ve Hayek, 2005). Sülfatlarla, çimento arasındaki önemli bir etkenin de sülfatın katyonunun cinsinden kaynaklandığı unutulmamalıdır (Kılınç ve Uyan, 2003). Topraktan, yer altı suyundan, deniz suyundan, yağmur suyundan ve atık sulardan gelen sülfat iyonları; potasyum, sodyum, magnezyum gibi bazı katyonlarla birlikte kombine bir halde bulunurlar (Al-Akhras, 2006). Sülfat iyonlarının kalsiyum hidroksit ile reaksiyonlarından sonra oluşan alçıtaşının yanı sıra katyon tipine bağlı olarak Mg(OH) 2, NaOH gibi hidroksitler oluşmaktadır. Bunların ortamda bulunması etrenjit oluşumunu ve sülfatın etki mekanizmasını ciddi şekilde etkiler. Örneğin, çok düşük çözünürlük değerine sahip olan magnezyum hidroksit ortamın ph değerini 10.5 mertebelerine düşürebilmektedir ve C-S-H jeli ile etrenjitin stabilitesini bozabilmektedir (Al-Amoudi, 1997; Kılınç ve Uyan, 2003). Bu da sertleşmiş çimento hamurunun yumuşamasına ve bozulmasına neden olur. Kısacası sülfat iyonunun etkisi katyon tipinden bağımsız düşünülemez. Sülfatın betonda oluşturduğu hasarlar ve bunları en asgari düzeye indirme konusu uzun yıllardan beri araştırmacıların ilgisini çekmiş ve bu konuda çeşitli çalışmalar yapılmıştır (Lee ve diğ., 2005). Özellikle, silis dumanı, uçucu kül, cüruf gibi mineral katkı maddeleri kullanılarak betonun sülfat direncinin arttırılması yönündeki çalışmalar yaygındır (Irassar ve Batic, 1989; Lawrance, 1992; Bonen, 1993; Türker ve diğ., 1997; Biricik ve diğ., 2000). 90 lı yılların ortalarından bu yana beton teknolojisinde kullanılmaya başlanan metakaolinin betonun mekanik özellikleri ve dayanıklılığı üzerindeki etkileri yoğun bir biçimde araştırılmaktadır (Bai ve diğ., 2000; Poon ve diğ. 2006; Mermerdaş, 2006; Güneyisi ve Mermerdaş, 2007; Güneyisi ve diğ., 2007; Kim ve diğ., 2007). Bazı yazarların çalışmalarında metakaolinin betonun sülfat direncini de iyileştirdiği görülmüştür. Örneğin, Al-Akhras (2006), çalışmasında %5 lik NaSO 4 çözeltisi etkisine maruz bıraktığı beton prizmalarının boylarındaki değişimi ölçmüş ve MK miktarının genişlemeyi önemli ölçüde düşürdüğünü tespit etmiştir. Bu çalışmada, su-bağlayıcı oranının, başlangıç kürünün ve başlangıç kürü sonrası farklı ortam koşullarının yalın ve metakaolin katkılı betonların sülfat direnci üzerine etkileri karşılaştırmalı olarak araştırılmıştır. Metakaolin ağırlıkça %20 oranına kadar kademeli olarak portland çimentosu ile yer değiştirilerek kullanılmıştır. Sülfat etkisine maruz bırakılan numunelerin basınç dayanımındaki değişimler 365. güne kadar peryodik olarak ölçülmüştür. 260

3 2.1. Kullanılan malzemeler ve özellikleri 2. Deneysel Çalışma Bu çalışmada, TS EN standardına uygun portland çimentosu (CEM I 42.5R) ve Hindistan orijinli toz metakaolin kullanılmıştır. Çimentonun ve metakaolinin fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 2.1 de verilmiştir. Betonların üretiminde maksimum tane çapı 16 mm olan I ve II numara doğal dere çakılı, ince agrega olarak ise doğal ve kırma kum karışımı kullanılmıştır. Agregaların granülometresi ve bazı fiziksel özellikleri Tablo 2.2 de verilmiştir. Kimyasal katkı olarak naftalin sülfonat esaslı süperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Katkı sıvı halde olup koyu kahverengi ve özgül ağırlığı ise 1.22 g/cm 3 tür. Sülfat etkisine maruz bırakılacak betonlar için %10 luk Na 2 SO 4 çözeltisi hazırlanmıştır. Bunun için sanayii tipi kristal Na 2 SO 4 kullanılmıştır. Tablo 2.1. Portland çimentosunun ve metakaolinin fiziksel ve kimyasal özellikleri Analiz raporu Portland çimento Metakaolin SiO 2 (%) Al 2 O 3 (%) Fe 2 O 3 (%) CaO (%) MgO (%) SO 3 (%) Na 2 O (%) K 2 O (%) Cl - (%) Çözünmeyen kalıntı (%) Kızdırma kaybı (%) Serbest kireç (%) Özgül ağırlık (g/cm 3 ) Vikat süresi Başlama/Son (saat) 2-46/ Hacim sabitliği (mm) 1 - Özgül yüzey (m 2 /kg) Renk Gri Beyaz 2.2. Üretilen betonların özellikleri ve kür koşulları Bu çalışma kapsamında, biri 0.35, diğeri ise 0.55 su-bağlayıcı oranına sahip iki farklı beton grubu tasarlanmıştır. Metakaolin modifiyeli beton üretmek için, her iki beton grubunda çimentonun ağırlıkça %10 ve %20 si kadar metakaolin çimento ile yer değiştirilerek kullanılmıştır. Böylece, 6 farklı beton karışımı elde edilmiştir. Üretilen betonların karışım detayları Tablo 2.3 de verilmiştir. Bütün betonlar için agrega gradasyonu sabit tutulmuştur. Beton karışımları, 0.35 ve 0.55 su-bağlayıcı oranına sahip betonlar için sırasıyla 140 ± 20 mm ve 180 ± 20 mm çökme miktarını verecek şekilde tasarlanmıştır. Bu amaçla, karışım suyuna yeterli miktarda süperakışkanlaştırıcı katılmıştır. Beton üretiminde ASTM C192 standardlarına uygun 50 dm 3 kapasiteli mikser kullanılmıştır. Üretilen taze betonlar 100x100x100-mm boyutlarındaki 261

4 kalıplarda, laboratuar ortamında 24 saat boyunca bekletilmiştir. Sonrasında, kalıplardan çıkartılan numuneler iki farklı başlangıç kürüne tabi tutulmuşlardır. Bunlar sırasıyla aşağıda verilmektedir: a) Hava Kürü (HK): Numuneler sürekli olarak 20±2 o C sıcaklıkta ve bağıl nemi %50 ile %80 arasında değişen bir ortamda bekletilmiştir. b) Su Kürü (SK): Numuneler suyun içinde 20±2 o C sıcaklıkta bekletilmişlerdir. Tablo 2.2. Agregaların özellikleri Elek çapı İnce agrega İri agrega (mm) Dere Kırma No I No II kumu kum İncelik modülü Özgül ağırlık Malzemeler Tablo 2.3. Beton karışım oranları (kg/m 3 ) Grup I (su-bağlayıcı=0.35) Beton grupları Grup II (su-bağlayıcı=0.55) MK0 MK10 MK20 MK0 MK10 MK20 Çimento Metakaolin Su İnce Dere kumu agrega Kırma kum İri agrega No I No II Süperakışkanlaştırıcı

5 2.3. Sülfat etkisi Sülfat etkisinin irdelenmesi amacıyla, her bir numune grubu başlangıç kürüne (HK ve SK) tabi tutulduktan sonra üç eşit gruba bölünmüştür. Birinci gruptaki numuneler deney zamanına kadar su içerisinde saklanmışlardır (kontrol numuneleri). İkinci gruptaki numuneler, ağırlıkça %10 Na 2 SO 4 çözeltisine test edileceği güne kadar sürekli olarak, üçüncü gruptaki numuneler ise aynı çözeltide ancak 10 günlük aralıklarla ıslamakuruma etkisine maruz bırakılmıştır (Şekil 2.1). 1. grup: Kontrol 2. grup: Sürekli sülfat etkisi 3. grup: Islama-Kuruma çevrimli sülfat etkisi Bekletme Süresi (gün) Şekil 2.1. Numunelerin sülfat etkisine maruz bırakılma biçimleri Üretilen beton numuneleri, kür koşulları ve sülfata maruz kalma biçimleri aşağıdaki akış şemasında özetlenmiştir (Şekil 2.2). Su-bağlayıcı oranı MK0 MK10 MK20 28 günlük hava kürü 28 günlük su kürü Su ortamı Sürekli SO 4 etkisi Islama-kuruma çevirimli SO 4 etkisi Şekil 2.2. Üretilen beton grupları ve kür koşulları 263

6 Yukarıda belirtilen koşullarda sülfata maruz bırakılan numunelerin 0, 60, 90, 180, 270 ve 365 gün sonunda basınç dayanımlarındaki değişimler belirlenerek sülfat etkisi, başlangıç kürü ve metakaolinin etkisi incelenmiştir. Basınç dayanımı ASTM C39 standardına uygun olarak yapılmıştır. Basınç deneyi 0,1 kn hassasiyete sahip, 3000 kn kapasiteli basınç aleti kullanılarak yapılmıştır. Kontrol numunelerinin basınç dayanımlarındaki değişimler Tablo 2.4 de verilmektedir. Sülfat etkisine maruz bırakılan betonların basınç dayanımlarındaki değişimleri denklem (1) kullanılarak yüzde cinsinden hesaplanmıştır. σ o σ s Basınç dayanımındaki azalma (%) = 100 σ o (1) σ o = Kontrol betonlarının basınç dayanımı σ =Sülfat etkisine maruz bırakılan betonların basınç dayanımı s Tablo 2.4. Kontrol numunelerinin basınç dayanımları, σ o Subağlayıcı oranı Test zamanlarına göre basınç dayanımları (MPa) Başlangıç kürü 0. gün 60. gün 90. gün 180. gün 270. gün 365. gün SK HK SK HK Deney Sonuçlarının İrdelenmesi Farklı başlangıç kür koşullarına ve sülfat etkilerine maruz bırakılan her iki beton grubundaki numunelerin basınç dayanımlarındaki değişimleri, Şekil de görülmektedir. 1 yıllık sülfat etkisi sonunda yalın betonun basınç dayanımındaki azalma su-bağlayıcı oranına başlangıç kürüne ve sülfatın etki biçimine bağlı olarak %21 ile %36 arasında değişirken bu oranlar metakaolin modifiyeli betonlarda metakaolin miktarına bağlı olarak %8 ile %30 arasındadır. Şekil den anlaşılacağı üzere her iki su-bağlayıcı oranı için de, metakaolin kullanımı neredeyse bütün test zamanlarında ve kullanım düzeylerinde olumlu etki göstermiş ve betonun sülfat direncini yalın betona kıyasla arttırmıştır. Örneğin, SK ne tabi tutulmuş yalın betonun basınç dayanımındaki maksimum azalma %28.2 iken, metakaolin modifiyeli betondaki maksimum azalma %20.4 dir. Metakaolinin sülfat direncini arttırabilme özelliği, boşluk yapısını iyileştirmedeki etkisinden ve puzzolonik özelliğinden kaynaklanmaktadır. Bunun yanı sıra, metakaolin, ortamdaki Ca(OH) 2 tüketimini sağlayarak etrenjit oluşumunu azaltarak genişlemeye bağlı çatlak oluşumunu önlemektedir (Courard ve diğ., 2003). Sülfatın betondaki kimyasal etkisinin yanı sıra (alçıtaşı ve etrenjit oluşumu) fiziksel etkisinin de olduğu bilinmektedir (Neville, 2004). Islama-kuruma çevrimine maruz bırakılan numunelerin basınç dayanımlarındaki azalma sürekli sülfat etkisindeki numunelerdekinden genellikle daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Başlangıç kürüne 264

7 bağlı olarak, ıslama-kuruma çevrimine maruz bırakılan 0.35 ve 0.55 su-bağlayıcı oranına sahip yalın betonlarda basınç dayanımındaki azalma sırasıyla %20-27 ve %28-36 değerleri arasında iken metakaolin katkılı olanlarda bu değişimler %14-19 ve %16-29 düzeylerine düşebilmektedir. Bu durum, ıslama-kuruma çevrimi sürecindeki tekrarlı kristalleşmelerin boşluklardaki çeper basıncını sürekli artırması sonucunda, betonun iç yapısının daha çok zarar görmesi ile açıklanabilir (Mehta ve Monterio, 1993). Böylece, sülfatın kimyasal etkisinin yanı sıra fiziksel etkisinin de beton dayanıklılığı üzerinde önemli rol oynadığı görülmüş olur. Başlangıçta hava kürüne (HK) tabi tutulan beton numuneler su kürüne (SK) tabi tutulanlara kıyasla sülfattan daha çok etkilenmişlerdir. Bir başka deyişle, basınç dayanımındaki düşüş daha fazladır. Örneğin, su-bağlayıcı oranı 0.35 olan, HK ne ve SK ne tabi tutulan betonların basınç dayanımlarındaki azalma (Şekil 3.1 ve 3.2) sırasıyla %12-27 ve %8-21 arasında metakaolin miktarına ve sülfatın etki biçimine bağlı değişmiştir. Bu bilgiler ışığında, metakaolin kullanımının sürekli veya çevirimli sülfat etkisine tabi tutulan betonların basınç dayanımlarındaki düşüşü azalttığı ortaya çıkmıştır. Bu durum düşük ve yüksek su-bağlayıcı oranına sahip betonların her ikisi için de geçerlidir. Ayrıca, metakaolinin HK nün olumsuz etkisini indirgemede de etkili olduğu görülmüştür. Örneğin, 0.55 su-bağlayıcı oranına sahip HK ne tabi tutulmuş yalın betonların basınç dayanımlarındaki azalma %28-36 arasında iken, metakaolin modifiyeli betonlarda bu oran %22-30 arasındadır (Şekil 3.3). 4. Sonuçlar Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi özetlenebilir: 1. Metakaolinin belli düzeylerde çimento ile yer değiştirmesi betonun sülfata karşı direncini olumlu yönde etkilemiştir. Basınç dayanımındaki en küçük düşüşler MK nin çimento ile ağırlıkça %20 yer değiştirdiği betonlarda gözlemlenmiştir. 2. Sülfatın kimyasal etkisinin yanı sıra fiziksel etkisinin de betonda ciddi hasarlar oluşturabileceği ıslama-kuruma çeviriminden elde edilen sonuçlar neticesinde görülmüştür. Ancak, metakaolin kullanımının bu zararlı etkiyi de azaltabileceği görülmüştür. 3. Su kürü uygulanan betonların, hava kürü uygulanan betonlardan sülfat etkisine karşı çok daha dirençli oldukları gözlemlenmiştir. Özellikle, su kürü uygulanmış betonda metakaolinin, betonun sülfat direncini önemli düzeyde iyileştirdiği görülmüştür. 4. Su-bağlayıcı oranının, gerek yalın ve gerekse metakaolin katkılı betonların sülfat direnci üzerinde önemli rol oynadığı görülmüştür su-bağlayıcı oranına sahip betonların, başlangıç kür koşullarından ve sülfatın etki biçiminden 0.35 subağlayıcı oranına sahip betonlara kıyasla daha çok etkilendiği görülmüştür. 265

8 Basınç Dayanımındaki Azalma (%) MK0-SO4 MK0-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK10-SO4 MK10-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK20-SO4 MK20-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi Bekleme süresi (gün) Şekil su-bağlayıcı oranına sahip ve HK başlangıç kürüne tabi tutulmuş betonların zamanla basınç dayanımındaki değişimler Basınç Dayanımındaki Azalma (%) MK0-SO4 MK0-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK10-SO4 MK10-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK20-SO4 MK20-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi Bekleme süresi (gün) Şekil su-bağlayıcı oranına sahip ve SK başlangıç kürüne tabi tutulmuş betonların zamanla basınç dayanımındaki değişimler 266

9 Basınç Dayanımındaki Azalma (%) MK0-SO4 MK0-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK10-SO4 MK10-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK20-SO4 MK20-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi Bekleme süresi (gün) Şekil su-bağlayıcı oranına sahip ve HK başlangıç kürüne tabi tutulmuş betonların zamanla basınç dayanımındaki değişimler Basınç Dayanımındaki Azalma (%) MK0-SO4 MK0-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK10-SO4 MK10-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi MK20-SO4 MK20-SO4/Islama-Kuruma Çevirimi Bekleme süresi (gün) Şekil su-bağlayıcı oranına sahip ve SK başlangıç kürüne tabi tutulmuş betonların zamanla basınç dayanımındaki değişimler 267

10 Teşekkür Deneysel çalışmada kullanılan çimento Adana Çimento Fabrikası ndan, kimyasal katkı ise Grace Yapı Kimyasalları San. Tic. A.Ş. den temin edilmiştir. Yazarlar adı geçen kurum ve kuruluşlara katkılarından dolayı teşekkür ederler. Kaynaklar Al-Akhras N.M. (2006) Durability of m etakaolin concrete to sulfate attack. Cement and Concrete Research, 36, Al-Amoudi O.S.B. (1997) Sufate attack and reinforcement corrosion in plain and blended cements exposed to sulfate environments. Building and Environment, 33, Bai I., Sabir B.B., Wild S. and I. K inuthia (2000) Strength development in concrete incorporating PFA and metakaolin. Magazine of Concrete Research, 52, Bonen D. (1993) A microstructural study of the effect produced by magnesium sulphate on plain and silica fume bearing portland cement mortars. Cement an Concrete Research, 23, Biricik H., Aköz F., Türker F. and Berktay İ. (2000) Resistance to magnesium sulfate and sodium sulfate attack of mortars containing wheat straw ash. Cement and Concrete Research, 30, Courard L., Darimont A., Schouterden M., Ferauche F., Willem X. and Degeimberie R. (2003). Durability of mortars modified with metakaolin. Cement and Concrete Research, 33, Güneyisi E. and K. Mermerdaş (2007) Comparative study on strength, sorptivity, and chloride ingress characteristics of air-cured and water-cured concretes modified with metakaolin. Materials and Structures, (in press), DOI /s Güneyisi E., Gesoğlu M. and K. Mermerdaş (2007) Improving strength, drying shrinkage, and pore structure of concrete using metakaolin. Materials and Structures, (in press), DOI /s1/ z. Irrasar F. and O. Batic (1989) Effect of low calcium fly ash on sulfate resistance of OPC cement. Cement and Concrete Research, 19, Kılınç K., Uyan M. (2003) Beton karışım suyundaki sülfat tuzlarının çimento harcı özelliklerine etkisi. 5. Ulusal Beton Kongresi, Bildiriler Kitabı, İstanbul, s Lawrance C.D. (1992) The influence of binder type on sulfate resistance. Cement and Concrete Research, 22, Lee S.T., Moon H.Y., Hooton R.D. and J.P. Kim (2005). Effect of solution concentrations and replacement levels of metakaolin on the resistance of mortars exposed to MgSO 4 solutions. Cement and Concrete Research, 35,

11 Mehta P.K., and Monterio P.J.M. (1993) Concrete, 2nd Edn. McGraw Hill, New York. Mermerdaş, K. (2006) Effectiveness of metakaolin on the strength and durability properties of air-cured and water-cured concretes. Yüksek Lisans Tezi, Gaziantep Üniversitesi, Türkiye. Nehdi M. and M. Hayek (2005) Behavior of blended cement mortars exposed to sulfate solutions cycling in relative humidity. Cement and Concrete Research, 35, Neville A. (2004) The confused world of sulfate attack on concrete. Cement and Concrete Research, 34, Poon C.S., Kou S.C. and L. Lam (2006) Compressive strength, chloride diffusivity and pore structure of high performance metakaolin and silica fume concrete. Construction and Building Materials, 20, Türker F., Aköz F.,Koral S. and N. Yüzer (1997) Effects of magnesiun sulfate concentration on the sulfate resistance of mortars with and without silica fume. Cement and Concrete Research, 27,

12 270