YAPI MALZEMESİ I DERSİ

Transkript

1 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ ÇEVRE ve KULLANIM KOŞULLARI 2 KASIM 2010

2 Malzemenin mekanik özellikleri; 20 o C civarında, yavaş uygulanan bir yük y k altında (statik yükleme), y temiz, kuru ve düzgd zgün n kesitli malzeme örnekleri üzerinde saptanmaktadır. Kullanım m esnasında nda bu deney koşullar ullarının n bulunamayacağı gayet açıkta ktır. Bu nedenle malzeme, beklenenden farklı davranış gösterebilir. Örneğin, normal laboratuvar koşullar ullarında düktil varsayılan bir metal kullanım sırasında kırılgan k hale dönüşebilir. d

3 ÇEVRE ve KULLANIM KOŞULLARI Sıcaklık Yapı koşulları Yükleme hızı Dalgalanan gerilmeler Korozyon Bozulma

4 SICAKLIK Malzemeler genellikle çok düşük d k ve çok yüksek y sıcakls caklık derecelerinde, normal sıcakls caklıklar klar altında beklenenden çok farklı davranış ışlar gösterebilir. g Örneğin, düşük d k sıcakls caklıklarda klarda hacim merkezli kübik k alaşı şımların düktilitesi ve enerji yutma kapasitesi düşer. d Önemli yapı malzemelerinden çelik bu yapıda olup, 0 o C civarında kırılganlak lganlaşma gösterirg Tersine, sıcakls caklık k arttıkça çeliğin in akma sınırıs düşer ve 300 o C'den sonra bu sınır s r ortadan kalkar. Çeliğin in çekme dayanımı da sıcakls caklık k derecesi arttıkça a azalır r (Çeli( eliğin in 500 o C'deki çekme dayanımı 20 o C'deki dayanımının n % 60'ı kadardır). r).

5 SICAKLIK Ayrıca, yüksek y sıcakls caklıklar klar (yaklaşı şık k 300 o C), çelikte normal sıcakls caklıkta kta görülmeyen sünme s olayını başlat latır. Yeterince yüksek y sıcakls caklıklarda, klarda, çok düşük şekil değişimlerinde imlerinde bile bazı metal ve alaşı şımlar kırılgan k lgan davranış gösterebilir. Sıcaklığın n artması ile atomların n daha hızlh zlı titreşmelerinden dolayı malzemenin boyutlarında bir artış (genleşme), tersi durumda sıcakls caklığın azalması ile de boyutlarda bir azalma (büzülme) olduğu u bilinen bir gerçektir. ektir. Malzeme yapıda kullanımı esnasında nda bu tür t r yüksek y sıcakls caklık değişimlerine imlerine maruz kalacaksa sözüs edilen boy değişimlerinin imlerinin izin verilebilen sınırlars rları aşmaması gerekmektedir.

6 YAPI KOŞULLARI Laboratuvar deneylerinde örnekler serbestçe e yüklenir, y başka bir deyişle, yükleme y sırass rasında örneğin yapacağı deformasyonlar engellenmemiştir. Ancak, yapı içinde inde aynı malzemeden yapılm lmış elemanların davranış ışları kısıtlıdır. Dolayısıyla yla malzeme iki veya üç eksenli gerilme etkisi altındad ndadır. Oluşan asal gerilmeler nedeniyle malzemeler uygulamada deneylerden farklı davranış ışlar gösterir. g Örneğin, malzemenin gerilme-birim şekil değiştirme davranışı ışı, kırılma yüküy değişebilir. ebilir.

7 YÜKLEME HIZI Malzemelerin kalite kontrol deneyleri belirli bir yükleme y hızı veya deformasyon hızıh esas alınarak gerçekle ekleştirilir. Düşük k birim şekil değiştirme ya da yükleme y hızlarh zlarında bütün n eleman esner ve kopmadan önce daha çok enerji yutar. Yükleme hızının h n belirli bir değeri eri aşmasa ması halinde esneme, kırılma bölgesinde b yoğunla unlaşır. Böylece B elemanın n tümüt enerji yutmaz, gevrek bir kırılma k gerçekle ekleşeceğinden enerji yutma kapasitesi ve toplam uzama azalır. Tersine yükleme y süresinin s uzaması da malzemenin dayanımını büyük ölçüde olumsuz olarak etkiler. Bu nedenle deneyler, ilgili standartlarda belirtilen yükleme y hızlarıyla yapılır.

8 DALGALANAN GERİLMELER Gerilmelerin aralıkl klı olarak tekrarlı bir şekilde uygulanması malzemenin özelliklerini olumsuz yönde y etkileyip, malzemenin kırılganlak lganlaşmasına neden olur. Bu konuya Periyodik Yükleme Y ve Yorulma bölümünde ayrınt ntılı olarak değinilecektir.

9 KOROZYON Malzemelerin bulunduğu u ortam (çevresel( koşullar) tarafından kimyasal saldırıya uğrayarak u bozulması korozyon olarak tanımlanabilir. Korozyon kimyasal reaksiyon sonucu oluştu tuğundan, undan, korozyonun meydana gelme hızıh bir dereceye kadar sıcaklığa a ve tepkimeye girenler ile ürünlerin konsantrasyonuna bağlı olacaktır. Doğada yaygın n olarak bulunan demir oksitler, ancak ısı enerjisi verilerek daha yüksek y enerji durumundaki demir alaşı şımı olan çeliğe e dönüştürülür. d r. Daha sonra demir, çevre koşullar ullarının n etkisi ile paslanarak daha düşük d enerjili durumdaki demir oksit haline diğer bir deyişle aslına geri döner. d

10 KOROZYON Metallerin korozyonu, yarattığı dolaylı rahatsızl zlıkların n yanı sıra, her zaman malzeme israfına ve ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Yaklaşı şık k olarak her yıl y üretilen demir miktarının n % 25'i kadar demirin korozyon nedeniyle kullanılamaz lamaz hale geldiği i belirtilmektedir. İki tip kimyasal etkilenme vardır: r: 1) Doğrudan kimyasal etkilenme, 2) Elektro-kimyasal kimyasal etkilenme.

11 KOROZYON Doğrudan kimyasal etkilenmede bir elektron akımı (cereyan) yoktur. Bu tip etkilenmede metallerin yüzeyinde y eş dağı ğılımlı oksijen reaksiyonu oluşur. ur. Doğrudan korozyon sonucu metal üzerinde oluşan yapışı ışık k korozyon tabakasının n kalınl nlığı,, yaklaşı şık k olarak, oluşma zamanının kare kökük ile orantılıdır. r. Bu tip etkilenmeye en iyi örnek, bakır çatı kaplamalarında görülen korozyon olayıdır. Özellikle endüstriyel bölgelerin b atmosferlerinde bulunan oksijen, nem, sülfs lfür r oksitleri, çatı kaplaması üzerinde yeşil renkli, erimeyen bakır r sülfat s örtüsü oluşturur. turur.

12

13 KOROZYON Elektrokimyasal etkilenmede ise belirgin anot bölgelerinden katot bölgelerine b önemli bir elektron akımı vardır. r. İyon hareketi ile bir elektrik akımı doğar ve korozyon yerel olarak oluşur. ur. Pillerin oluşmas ması ile metal zamanla harap olur.

14 METALLERİN ELKTRO-KİMYASAL KOROZYONU BİRİBİRİNİ TAMAMLAYAN ve EŞZAMANLI GELİŞEN İKİ ELEKTRO-KİMYASAL REAKSİYON OKSİDASYON (ANOT) REDÜKSİYON (KATOT) ELEKTRON KAYBEDEN ÇELİĞİN İYONA DÖNÜŞMESİ KÜTLE KAYBI ELEKTRONLARIN BAŞKA BİR ORTAMDA HARCANMASI, HİDROKSİT İYONLARININ OLUŞMASI KORUNUR ELEKTRONLARIN KATODA, HİDROKSİT(OH) - İYONLARININ ANOTA TAŞINMASI ŞART AYNI ÇELİK ÜZERİNDE; ANOT ve KATOT BİRBİRİNE ÇOK YAKIN (MİKRO ELEMAN) BİRBİRİNDEN UZAKTA (MAKRO ELEMAN) OLABİLİR

15 METALLERİN ELEKTRO-KİMYASAL KOROZYONU BETON BOŞLUK SUYU: ELEKTRON ve İYON İLETEN ORTAM ÇELİK ELEKTRON İLETEN ORTAM ANOT ve KATOT BAĞLANTISI KURULUR GALVANİ PİLİ OLUŞUMU NEM, O2 KONSANTRASYONU, TUZ KONSANTRASYONU, PAS PAYI TABAKASI ve GEÇİRİMLİLİĞİ BETON İÇİNDE BÖLGE BÖLGE DEĞİŞKEN AYNI ÇELİĞİN FARKLI BÖLGELERİ ANOT ve KATOT REAKSİYONU GÖSTEREBİLİR

16 Yükseltgenme tepkimesi Elektrot gerilimi E, volt (25 C de standart hidrojen elektroduna göre) Au Au e - +1,498 Pt Pt e - +1,200 Ag Ag + + e - +0,799 2Hg Hg e - +0,788 Fe +2 Fe 3+ + e - +0,771 Cu Cu e - +0,337 Sn +2 Sn e - +0,150 H 2 2H + + 2e - 0,000 Pb Pb e - -0,126 Sn Sn e - -0,136 Ni Ni e - -0,250 Co Co e - -0,277 Cd Cd e - -0,403 Fe Fe e - -0,440 Cr Cr e - -0,744 Zn Zn e - -0,763 Al Al e - -1,662 Mg Mg e - -2,363 Na Na + + e - -2,714 Her metalin hidrojen elektrotuna göre ölçülen bir elektrot potansiyeli vardır. Bunlar sıralanacak olursa Tablo da bazı metal iyonları için görülen elektromotif kuvvet serisi elde edilir. Daha katodik (korozyona eğilim daha az) Daha anodik (korozyona eğilim daha fazla)

17 KOROZYON Voltaj sırası listesi iki temiz metal yüzeyinden hangisinin anot olacağını gösterir. Bu seride anot tarafındaki metal, katot tarafındakine kıyasla anot reaksiyonuna uğrar, katot tarafındaki ise korunur. Kimyasal bileşik şeklindeki korozyon ürünü kütleden ayrılır ve yenisi oluşursa tahribat sürekli olur. Demir'in korozyonu bu türdür.

18 ÇELİK DONATININ KOROZYONU ASLINA DÖNME OLAYI -ATMOSFERİK KOROZYON - ELEKTROLİTİK KOROZYON - KLORÜR KOROZYONU - TEMAS KOROZYONU -HİDROJEN KIRILGANLAŞMASI ATMOSFERİK KOROZYON Fe + ½O 2 +H 2 O Fe(OH) 2 Fe (OH) 2 FeO + H 2 O Temiz atmosfer koşullarında Zararlı Kirli Atmosferik Koşullarda PAS TABAKASI TEL FIRÇA İLE SÖKÜLEMİYORSA ZARARSIZ PAS KOROZYON HIZI (HAVA NEMİNE BAĞLI) 4-6 µm/yıl µm/yıl PUL PUL DÖKÜLME; ÇAP ÖLÇÜMÜ, ÇEKME DENEYİ ve TEMİZLEME ŞART

19 ÇELİK DONATININ KOROZYONU Beton boşluk suyu (elektrolit) O 2 Paspayından oksijen difüzyonu H 2 O ½O 2 Fe +2 2(OH) - 2e - Çelik Anodik işlem Katodik işlem ANOT REAKSİYONU Fe Fe e - KATOT REAKSİYONU H 2 O +1/2O 2 + 2e - 2(OH) - Fe (OH) - Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 + H 2 O+ 1/2O 2 Fe(OH) 3

20 KOROZYON Korozyona neden olan galvani pili türleri farklıdır. Bileşim pilleri, gerilme pilleri ve konsantrasyon pilleri olmak üzere üç pil türü vardır. Bunların oluşumunu engelleyecek önlemler alınarak korozyon olayı önlenebilir. Bileşim pilleri : İki farklı türde metal arasında bir galvani elemanı oluşabilir. İki metalden hangisinin katot hangisinin anot olacağı voltaj sırası listesinden bulunabilir

21 Zn (Anot) Sn (Katot) Fe (Katot) Fe (Anot) Zn Sn Örneğin Şekil 'de görülen g galvanizli saçtaki çinko demire kıyasla anot tarafındad ndadır. Galvaniz tabakası çizilerek demir açığa çıksa bile çinko tarafından bir süre s korunur. Ancak çinko zamanla korozyona uğrayarak u demir saç paslanmaya başlar.

22 Zn (Anot) Sn (Katot) Fe (Katot) Fe (Anot) Zn Sn Şekil 'de görülen g kalaylı saçta kalay demiri tamamen örttüğü sürece korozyondan korur. Korozyona dayanıkl klı olan kalay tabakası çizildiği i takdirde, demir kalaya kıyasla k anot tarafında olduğundan undan kısa k sürede s paslanır.

23 KOROZYON Elektrokimyasal korozyon olayına yapı malzemelerinde sık sık rastlanabilir. Örneğin, çatılarda alüminyum ve bakır levhalar birbirleriyle temas edecek şekilde konursa, çukurlarda birikebilecek suyun iletkenliği ile bir pil oluşur ve daha az asal olan alüminyum levhalar delinir. Bu olaya temas korozyonu denir.

24 KOROZYON B) Gerilme Pilleri : Gerilme etkisindeki atomlar en düşük enerjili denge konumundan ayrıldıklarından gerilmesiz bölgelere göre daha yüksek enerjiye sahiptirler. Bu nedenle gerilme etkisindeki atomların elektrolit potansiyelleri daha büyüktür ve anot reaksiyonu gösterirler. Eğilmiş veya burulmuş metallerde plastik şekil değişimi bölgeleri anot reaksiyonu gösterirler. Şekil 5.2 de görülen çubuğun eğilme bölgesinde korozyon daha şiddetli oluşur. Benzer şekilde soğuk burulmuş donatı çelikleri, sıcak haddelenmiş çelik çubuklara kıyasla daha hızlı paslanır. Katot Anot Anot Katot

25 C) Konsantrasyon Pilleri : Elektrolitin konsantrasyonu elektrot potansiyelini etkiler. Konsantrasyonun yüksek y olduğu u bölgeler b katot, düşük d k olduğu bölgeler anot reaksiyonu gösterir. g Kapalı yerlerde oksijen azdır. Bu bölgeler b oksijeni fazla olan açık a bölgelere kıyasla k daha şiddetli paslanırlar. Katot Anot Katot Anot

26

27 Korozyondan Korunma YöntemleriY KOROZYON DENETİMİ VE ÖNLENMESİ Malzeme seçimi: Metalik malzemeler Metalik olmayan malzemeler Kaplama: Metalik kaplamalar İnorganik kaplamalar Organik kaplamalar Tasarım: Aşırı gerilmelerden kaçınmak Farklı metallerin temasından kaçınmak Girintilerden kaçınmak Havayı uzaklaştırmak Elektriksel koruma: Katodik koruma Anodik koruma Ortam şartlarını düzeltme: Sıcaklığı düşürmek Ortamdaki sıvının hızını azaltmak Oksijeni ortamdan uzaklaştırmak Çözeltinin konsantrasyonunu düşürmek Korozyon önleyiciler kullanmak

28 Korozyondan Korunma YöntemleriY Malzeme Seçimi Çevre koşullar ullarına uygun malzeme seçilirken, daha önceki deneyimler göz g önüne ne alınmal nmalıdır. Korozyona karşı dayanıkl klı bir malzeme, daha uzun süreli s olarak ve daha az bakım m gerektirerek kullanılaca lacağından, satış fiyatı fazla olmasına karşı şın, sonuçta ucuz bir malzemeye kıyasla k daha ekonomik bir malzeme olabilir.

29 Korozyondan Korunma YöntemleriY Malzeme Seçimi Metalik Malzemeler Saf metaller yerine alaşı şımlarının n kullanılmas lması bir çok halde korozyona karşı dayanıkl klılığıığı arttırmaktad rmaktadır. r. Benzer şekilde bir alaşı şım m olan çeliğe e az miktarlarda krom, nikel, bakır, fosfor gibi elementlerin katılmas lması korozyona karşı dayanıkl klılığıığı büyük ölçüde yükseltmektedir. y Metalik Olmayan Malzemeler Polimer malzemelerin, metal ve alaşı şımlara kıyasla k daha düşük k dayanımda oldukları,, korozyona dayanıkl klılık nedeniyle tercih edildikleri yerler sınırls rlıdır. r.

30 Korozyondan Korunma YöntemleriY Kaplamalar Organik Kaplamalar En çok kullanılan lan korozyona karşı korunma yöntemidir. En önemli organik kaplamalar; boyalar, cilalar, zift, yağ ve plastik kökenli k kenli malzemelerdir. Bazılar larında (boya gibi) inorganik maddeler bulunmasına na karşı şın, organik kökenli k kenli bileşenleri enleri daha fazla olduğundan undan organik kaplama olarak sınıflandırılırlar. rlar. Organik kaplamalar yüksek y sıcaklıklarda klarda eriyebilmeleri nedeniyle dikkatle kullanılmal lmalıdır.

31 Korozyondan Korunma Yöntemleri Kaplamalar Organik Kaplamalar İnorganik Kaplamalar Genellikle seramik, çinko (galvanize etmek), kalay, emaye ve çimento gibi maddeler ile kaplanan malzemelerin korozyona dayanıklılıkları büyük ölçüde artar. Isıya ve aşınmaya karşı organik kaplamalardan çok daha fazla dayanıklıdır. Ancak sert olmalarına karşın darbeye dayanıklı olmadıklarından kırılgandırlar.

32 BETONUN ÇELİĞİ KOROZYONDAN KORUMASI FİZİKSEL KORUMA ZARARLI MADDELERİN, SUYUN KOLAYCA ÇELİĞE ULAŞMASININ ENGELLENMESİ (BETONUN GEÇİRİMSİZLİĞİNE ve PAS PAYI TABAKASI KALINLIĞINA BAĞLI) KİMYASAL KORUMA BETONUN ÇELİĞE YÜKSEK DERECEDEN ALKALİ BİR ORTAM SUNMASI (ph ) (PASSİVİZASYON) Beton yüzeyi Donatı Çubuğu ph 12.5 MİKROSKOBİK OKSİT TABAKASI (PASİF TABAKA) DONATININ PASLANMASI MÜMKÜN DEĞİL (PASİF TABAKANIN STABİL KALMASI DURUMUNDA)

33 BETONUN ÇELİĞİ KOROZYONDAN KORUMASI FİZİKSEL ve KİMYASAL KORUMA YETERSİZ KOROZYONUN KISA SÜREDE GÖRÜLMESİ MUHTEMEL ÇELİK DONATI Beton yüzeyi KARBONATLAŞMA ph < KLORÜRLER Cl - > KRİTİK DEĞER ASİDİK SIVILAR PASİF TABAKANIN ÇÖZÜLMESİ KİMYASAL KORUMANIN SONU DONATININ KOROZYONU MÜMKÜN (oksijen ve nem varlığında) GEÇİRİMLİ, YETERSİZ KALINLIKTA PAS PAYI TABAKASI

34 DENİZ SUYU ETKİSİ TUZLA İSKELESİ

35 ÇELİK K DONATININ KOROZYONU İzmir de korozyon hasarına uğramış elektrik direkleri

36 ÇELİK K DONATININ KOROZYONU

37 15 YILDA φ16 DONATI φ11-12 ÇEŞMEALTI NDA YAZLIK KONUT DENİZE 15m

38 ÇELİK K DONATININ KOROZYONU

39 Korozyondan Korunma YöntemleriY Kaplamalar Organik Kaplamalar İnorganik Kaplamalar Metalik Kaplamalar Bu tip kaplamalar, korozyona karşı dayanıkl klılığıığı arttırmak rmak için i in ve/veya güzel g görünüm g m sağlamak amacıyla kullanılır. Kaplamalar ısısal, sal, mekanik ve elektrokimyasal yöntemlerle y korunması istenen yüzeyin üzerine uygulanır. Kaplama malzemesi korunması istenen yüzeye y kıyasla anodik olmalıdır. Örneğin, demire kalay kaplama yapılmak istenirse, kalay demire kıyasla k daha asal olduğundan, undan, kaplama tabakasının gözeneksiz olması gerekir. Aksi takdirde iğne i deliği gibi bir gözenekten g korozyon hızla h gelişebilir. ebilir.

40 Korozyondan Korunma Yöntemleri Kaplamalar Organik Kaplamalar İnorganik Kaplamalar Metalik Kaplamalar Bu nedenle açılan konserve kutuları hava ile temas edince hızla kararır ve paslanır. Ancak, demirden daha az asal olan, 1 mm kalınlığında çinko ile kaplanan çeliğin endüstri bölgesi olmayan yerlerde 250 yıl dayandığı görülmüştür. Yapılarda en çok kullanılan metalik kaplama türleri, çelik üzerinde çinko, alüminyum, nikel ve krom kaplamalardır. Metalik kaplama genellikle sıcak daldırma veya püskürtme yöntemleriyle yapılır. Kaplama, yöntem ne olursa olsun, yeterince kalın, üniform ve gözeneksiz olmalıdır ve alt tabakaya yeterince yapışmalıdır.

41 Korozyondan Korunma Yöntemleri 1. Katodik Koruma Elektriksel Koruma Normal olarak korozyona uğrayacak metale ters akım verilerek katodik hale dönüştürülebilir. Örneğin yeraltı çelik kablolarına bir bataryanın eksi kutbu bağlanacak olursa elektron kaybı önlenir, katoda dönüşen çelik hat en alt düzeyde paslanır.

42 Korozyondan Korunma Yöntemleri 1. Katodik Koruma Elektriksel Koruma Malzeme kendisinden daha az asal olan bir metale bağlanarak da korunabilir. Örneğin, yeraltı kablo boruları paralel çinko çubuk veya tele bağlanarak korunabilir. Gemi gövdelerine, su tankerlerine korozyondan korumak için çinko veya magnezyum çubukları bağlanır. Çubuklar daha az asal olduğundan anot, gövde ise katot olur. Böylece gövde yerine çubuklar korozyona uğrarlar. Bu çubuklar belirli sürelerde değiştirilerek korunması istenen yüzeyin sağlam kalması temin edilir.

43 Korozyondan Korunma Yöntemleri 1. Katodik Koruma 2. Anodik Koruma Elektriksel Koruma Nispeten yeni bir yöntem olup dıştan verilen bir anodik akımın etkisiyle metal veya alaşımın yüzeyinde koruyucu bir film oluşturarak korozyon ortamındaki reaksiyon hızını düşürme esasına dayanır. Ancak bu koruma için karmaşık bir donanıma ve yüksek donanım maliyetine ihtiyaç vardır.

44 Korozyondan Korunma Yöntemleri Ortam şartlarını düzeltme Korozyonun şiddetini azaltmak için: Sıcaklığı düşürmek Sıvının hızını azaltmak Sıvıdan oksijeni uzaklaştırmak İyon konsantrasyonunu azaltmak Elektrolite korozyon önleyici katkılar katmak

45 Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ I DERSİ ÇEVRE ve KULLANIM KOŞULLARI