Katkılı Betonlarda Donatı Korozyonun Araştırılması Asım ADALI a, Fatih AKYOL a, Muammer SEYRANLIOĞLU a, M.Sadrettin ZEYBEK a,* a Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü,Çorum,19030,sadrettinzeybek@hitit.edu.tr Özet Bu çalışmada Yatağan Termik Santrali nden alınan uçucu kül, Nevşehir Pomza Yatağı ndan alınan pomza, Limak Çimento Fabrikası ndan alınan kalker-alçı karışımı ve Marbus Yapı Kimyasalları Fabrikası ndan alınan perlit gibi endüstri atıklarının çeşitli oranlarda PÇ 42,5 çimentosu içerisine agrega olarak katılarak beton kalıplar hazırlanmıştır. Kalıplara farklı derinliklerde ( 2cm, 4cm, 6cm ve 7cm ) 8mm çapında nervürlü betonarme demiri yerleştirerek beton içerisindeki korozyon davranışı incelenmiştir. Uçucu kül ve pomzanın %14 ve %15 oranlarında agrega olarak kullanılması, hem çevre kirliliğini önleyici hem de beton üretim maliyetlerini azaltıcı etken olduğu için bu katkıların standartlar dahilinde hazır beton üretiminde değerlendirilebileceği sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Uçucu kül, Pomza, Kalker-Alçı karışımı, Perlit, Nervürlü Betonarme Demiri Giriş Beton katkı maddeleri katkılar, çimento, agrega ve suyun dışında, betonun taze veya sertleşmiş haldeki özelliklerinin, korozyon özelliklerini istenen şekilde değiştirmek üzere, karıştırma işleminden hemen önce veya karıştırma işlemi sırasında betona katılan malzemelerin genel adıdır. Günümüz teknolojisinin gelişmesine paralel olarak çimento teknolojisi ve ona bağlı olarak da beton teknolojisi hızlı bir değişim ve gelişim sürecine girmiştir. Bir taraftan basınç dayanımı yüksek korozyona dayanıklı, kimyasal etkilere dayanıklı yoğunluğu düşük çimentolar ve çok fonksiyonlu betonlar üretilirken, diğer taraftan çevreyi kirleten birçok sanayi atığının katkı ve agrega maddesi olarak kullanılmasını amaçlayan çimento ve betonlar üretilmektedir. Çevre sorunlarının en üst seviyede olduğu günümüzde sanayi atıklarının beton teknolojisinde katkı maddesi olarak kullanılarak değerlendirilmesi, bir yandan maliyetleri düşürürken diğer taraftan çevre sorunlarının giderilmesine yardımcı olmasından dolayı üzerinde durulması gereken önemli konulardan biridir. Kuramsal Bilgiler Çimento, killi ve kalkerli malzemelerin belirli oranlarda karıştırılıp öğütülmesi ve en az sinterleşmeye kadar pişirilmesi ile oluşan klinkere belirli miktarda alçı taşı ilave edilmesiyle elde edilen, su ile birleştiğinde hidrolik bağlayıcılık özelliği kazanan üründür[2]. Çimento imalinde kullanılan başlıca hammaddeler kil ve kalkerdir. Çimento bileşimine kil ve kalker vasıtasıyla silis alümina, demir oksit ve bazı safsızlıklar girer. Kalker ile de çimento bileşimine kireç ve magnezyum oksit ile bazı safsızlıklar girer[3]. Beton, kum çakıl gibi daneli malzemenin(agrega), bağlayıcı madde olarak çimento, kimyasal reaksiyon içinse su kullanılmasıyla elde edilen bir yapı malzemesidir. Beton ayrıca betonarme konstrüksiyonun önemli bir elemanı olarak da tarif edilmektedir [5]. Betonun mutlak hacmini %75 oranında agrega (kum, çakıl, mıcır), %10 oranında çimento, % 15 oranında su oluşturur. Gerektiğinde, çimento ağırlığının %2 sinden fazla olmamak kaydıyla, katkı malzemesi ilave edilebilir.
Betonun bileşim elemanları çimento, su, agrega (kum, çakıl, kırma taş), kimyasal katkılar ve mineral katkılardır. Kimyasal katkılarla (akışkanlaştırıcı, priz geciktirici, geçirimsizlik sağlayıcı, antifriz) mineral katkılar (taş unu, tras, yüksek fırın cürufu, uçucu kül, silis dumanı,... ) betonun performansını istediğimiz yönde iyileştiren çağdaş teknoloji unsurlarıdır. Çimentoyla suyun karışımından oluşan çimento hamuru zamanla katılaşıp sertleşerek agrega tanelerini (kum, çakıl, kırma taş) bağlar, yapıştırır, böylece betonun mukavemet kazanmasına imkân verir[6]. Beton üretiminde kullanılan kum, çakıl, kırma taş gibi malzemelerin genel adı agregadır. Beton içinde hacimsel olarak %60 75 civarında yer işgal eden agrega önemli bir bileşendir. Agregalar tane boyutlarına göre ince (kum, kırma kum., gibi) ve kaba (çakıl kırma taş... gibi) agregalar olarak ikiye ayrılır. Agregalarda aranan en önemli özellikler şunlardır: Sert, dayanıklı ve boşluksuz olmaları, Zayıf taneler içermemeleri (deniz kabuğu, odun, kömür... gibi) Basınca ve aşınmaya mukavemetli olmaları, Toz, toprak ve betona zarar verebilecek maddeler içermemeleri, Yassı ve uzun taneler içermemeleri, Çimentoyla zararlı reaksiyona girmemeleridir. Nominal dayanıma ve durabiliteye sahip, yeterli kalitede bir beton katkısız olarak yapılabilir. Ancak kimyasal katkılar beton özeliklerini ve yapım sürecini etkileyen bazı üstünlükler sunarlar: Terlemenin azaltılması Priz ve yüzey düzeltme özeliklerinin iyileştirilmesi Çatlamanın azaltılması Dayanım ve durabilitenin arttırılması Sıcak veya soğuk havada inşaatın devam edebilmesi Daha ekonomik beton karışımları Katkılar beton karışımını etkiledikleri için, çimento ve agreganın seçiminden sonra uygun katkı belirlenmelidir. Katkı maddeleri karıştırma sırasında betona ilave edilir. Beton, harç, groutlarla ilgili tanımlar, özelikler ve uygunluk kriterleri ile ilgili detaylar TS EN 934 ün çeşitli kısımlarında bulunmaktadır. Özellikle toplam klorür ve suda çözünebilir klorür maddeleriyle ilgili kısıtlamalar göz ardı edilmemelidir. Doğal puzolan veya yüksek fırın cürufu içeren betonların basınç mukavemetleri ilk yaşlarda daha düşük olurken, ileri yaşlarda puzolanın kalitesine ve miktarına bağlı olarak portland çimentosundan fazla olabilmektedir. F-sınıfı uçucu küller ilk yaşlarda betonda daha düşük basınç mukavemetleri verirken, C- sınıfı küllerle ilk yaşlardaki mukavemet kazanma hızı daha fazla olmakta ve bu dezavantaj bir ölçüde ortadan kalmaktadır. Oldukça etkin bir puzolan olan silis dumanı içeren betonlarda ilk yaşlardaki mukavemetler de yüksek değerleri alabilmekte ve referans betonun mukavemetlerini geçebilmektedir. Basınç mukavemeti etkinlik faktörü, silis dumanı için 2-5 arasında verilmektedir. Uçucu kül ve silis dumanı ile yüksek hatta çok yüksek basınç mukavemetleri elde etmek de mümkün olmaktadır.
Yüksek fırın cüruflarının bağlayıcı özelliklere sahip olduğunun belirlenmesiyle birlikte dünyada 19. yüzyılın ikinci yarısından itibaren bu malzemeyi içeren bağlayıcıların ticari olarak üretimine başlanmıştır. Yüksek fırın cüruflarının gerek Portland çimentosu hammaddesi gerekse mineral katkı maddesi olarak kullanılması, sırasıyla 1883 ve 1892 yıllarına rastlamaktadır. Cüruflar çeşitli metalürji tesislerinden elde edilen atık madde gruplarından birisidir. Kimyasal kompozisyonları ve özellikleri elde edildikleri sanayi kuruluşlarının ürettiği ana ürün tipine ve üretim yöntemine bağlı olarak birbirinden çok farklılık gösterir. Örneğin, yüksek fırın cüruflarının kendi başına bağlayıcı özelliği olmasına karşın nikel ve bakır cüruflarının yalnızca puzolanik özellikleri vardır. Perlit, doğal olarak oluşan silis esaslı volkanik kayaçlara verilen bir isimdir. Perliti diğer volkanik camlardan ayıran en önemli özellik ise yumuşama sıcaklığı civarında ısıtıldığı zaman orijinal hacminin dört ile yirmi dört katına çıkabilmesidir. Bu genleşme ham perlitte % 2-4 arasında bulunan özsuya (Kristal su ) bağlıdır. Perlit 870 derece üzerinden hızlı bir şekilde ısıtıldığı zaman bünyesindeki özsuyun buharlaşması ile mısır taneleri gibi patlar ve ısıyla genleşen perlit üzerinde sayısı gözenekler oluşur. İşte bu genleşmiş perlit mükemmel bir ısı ve ses izolasyonu malzemesidir. Ham perlitin kimyasal ve fiziksel özellikleri aşağıda gösterilmiştir Mevcut betona alternatif olarak; hafif, ekonomik ve ısı iletimi daha düşük bir taşıyıcı beton üretebilmek için bölgede mevcut olan fakat şu anda beton üretiminde kullanılmayan Erzincan Molla Köy ham perlit agregasının taşıyıcı hafif beton üretiminde kullanılabilirliği, elde edilen betonların izolasyon kabiliyeti ve puzolanik özelliği araştırılmıştır. Erzincan Molla Köy perlit sahasında TS 707'ye uygun olarak alınan han perlit agregasın üzerinde; birim-ağrılık, organik madde miktarı, su emme oranı, kızdırma kaybı ve birim hacim ağırlık deneyleri yapılmıştır. Bulunan sonuçların, literatür ve standartlarda hafif agregalar için belirtilen limit içerisinde kaldığı görülmüştür. Puzolanik özelliği araştırmak için Fırat agregası kullanılarak B225 karışım hesabı yapılmıştır. Bu karışımdaki diğer malzemeler sabit tutularak çimentonun %10,20,30 ve %40 ının yerine öğütülmüş perlit agregası kullanılarak yeni karışımlar yapılmıştır.bu karışımlar sonucunda,karışıma toz perlitin katılması;betonun işlenebilirliğini ve basınç mukavemetini görülmüştür.bu çalışma sonucunda %20 lik katkının puzolanik özellik ve çalışabilirlik açısından yeterli olduğu görülmüştür. Korozyon, metalin içinde bulunduğu ortam ile kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyona girerek metalik özelliklerini kaybetmesidir. Metallerin büyük bir kısmı su ve atmosfer etkisine dayanıklı olmayıp, normal şartlar altında bile korozyona uğrayabilir. Bütün metaller doğada mineral olarak bulundukları hale dönüşmek eğilimindedirler. Korozyon, metalik malzeme kullanılan her alanda beklenen doğal bir olaydır. Sebep olduğu maddi kayıplar yanında çevreyi kirleten, insan hayatını tehlikeye sokan bir değişimdir. Korozyon olayı endüstrinin her dalında kendini gösterir. Atmosfer şartlarına açık tanklar, depolar, direkler, korkuluklar, taşıtlar, yeraltı boru hatları, betonarme demirleri, iskele ayakları, gemiler, fabrikalarda kimyasal madde doldurulan kaplar,
borular, depolar ve birçok makine parçası korozyon olayı ile karşı karşıyadır. Bütün bu yapılar korozyon sebebiyle beklenenden daha kısa sürede işletme dışı kalmakta ve büyük ekonomik kayıplar meydana gelmektedir. Günümüzde korozyon kontrolü çok önemli bir konu olduğu halde pratikte yeteri kadar üzerinde durulmamaktadır. Bununla birlikte korozyon endüstriyel yatırım ve üretim maliyetlerini etkileyen en önemli faktördür. Korozyon nedeni ile ülkeler malzeme, enerji, emek ve bilgi kaybına uğramaktadırlar. Birçok yapıda temel yapı malzemesi olarak kullanılmakta olan beton, dış etkilere karşı oldukça dayanıklı bir malzemedir. Betonun çekme dayanımını artırmak amacıyla, halk dilinde inşaat demiri olarak bilinen yumuşak çelikler (betonarme demirleri) kullanılmaktadır. Asit, baz ve kimyasal maddelerle temas etmeyen normal betonlar, betonarme demirleri için iyi bir koruyucudur. Betonun yüksek alkalite de oluşu, çelik yüzeyinde pasif film oluşmasını sağlar. Ayrıca beton permeabilitesinin düşük oluşu, korozyona neden olacak yabancı bileşenlerin beton içine girmesine engel olur. Beton, elektriksel iletkenliği oldukça düşük olan bir elektrolittir. Bu da beton içindeki elektrokimyasal korozyon hücrelerinden akım geçişini güçleştirmektedir. Beton bu özelliklerinden dolayı betonarme demirlerinin korozyon hızını azaltıcı olarak rol oynamaktadır. Deniz atmosferinde kalan metallerin daha çabuk paslanması ve özellikle iskele ayakları ve betonlarının çok çabuk işlevsiz hale gelmesi, bilim adamlarını klorür iyonlarının korozyon hızı üzerindeki etkisini incelemeye sevketmiştir. Bu konuda yapılan çalışmalarda, korozyon hızının klorür iyonları ile doğrudan ilişkili olduğu kanıtlanmıştır. Bugünkü araştırmalar, betonarme demirlerinin klorür iyonlarından nasıl korunacağı ve korozyon sonucu zarar gören betonun nasıl onarılabileceği konusunda yoğunlaşmıştır. Bu amaçla betonun tasarımında ve bakımında ne gibi önlemlerin alınabileceği araştırılmaktadır. Betonarme demirlerinin korozyonunda klorür iyonu birinci derecede etkendir. Betonarme demirlerinin korozyon hızı büyük ölçüde çevre koşullarına bağlıdır. Korozyonun oluşması için oksijen ve rutubetin mutlak surette bir arada olması gerekmektedir. Bunlardan herhangi birisinin olmaması durumunda korozyon olayı gerçekleşmez. Çünkü bunlar Anodik ve Katodik reaksiyonları gerçekleştiren bileşenlerdir. Bugüne kadar yapılan araştırmalarda beton içinde korozyonun hiç oluşmaması için teknik ve ekonomik açıdan uygun bir yöntem bulunamamıştır. Bununla birlikte iyi bir beton yapımı ile klorür iyonlarının beton içine difüzlenmesini azaltarak korozyon hızının pratik olarak etkisiz hale getirilebileceği anlaşılmıştır. Buna ek olarak inhibitör kullanımı betonarme demirlerinin kaplanması, katodik koruma uygulaması, korozyon hızını önemli ölçüde düşürmektedir.
Deneysel Çalışmalar Çalışmada kullanılan endüstri atıklarının öncelikle kimyasal analizleri yapılmıştır. Kimyasal analiz sonuçları Tablo 1.,Tablo2,Tablo 3 ve Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 1. Limak Çimento Fabrikası Kalker Alçı Karışımı Kimyasal Analizi Bileşenler Ağırlıkça % Si0 2 10.60 A1 2 0 3 1.07 Fe 2 0 3 0.59 CaO 48.99 MgO 1.11 SO 3 10.60 Alçı (CaSO 4 ) 92.36 Tablo 2. Nevşehir Pomza Yatağı Kimyasal Analizi Bileşenler Ağırlıkça SiO 2 % 04,30 Al 2 O 3 % 00,10 FeO % 03,45 MnO % 03,40 CaO % 00,50 MgO % 01,60 H 2 O % 00,10 K 2 O % 00,90 P 2 O 5 % 01,40 SO 3 % 71,35 Na 2 O % 12,90 SiO 2 % 04,30 Tablo 3 Marbus Yapı Kimyasalları Fabrikası Perlit Analizi Bileşenler Ağırlıkça% SiO 2 74.76 TiO 2 0.027 Al 2 O 3 0.027 Fe 2 O 3 13.20 Fe 2 O 3 0.39 FeO 0.13 MnO 0.075 MgO 0.02 CaO 0.75 Na 2 O 4.16 K 2 O 4.14 P 2 O 5 0.004
Tablo 4. Yatağan Termik Santrali Uçucu Kül Kimyasal Analizi Bileşenler Ağırlıkça % Si0 2 33.3 Fe 2 O 4.11 Al 2 O 14.31 CaO 31.09 MgO 1.23 Na 2 O 0.34 K 2 O 1.43 SO 3 6.28 Farklı oranlarda katkı malzemeleri kullanılarak 10 çeşit katkılı beton numunesi hazırlanmıştır. Bu karışımların katkı miktarları ve kodları Tablo 5'de verilmiştir. Tablo 5. Katkılı Beton Karışımlarının Tanımlanması Bileşen / Kodu ÇT 1 ÇT 2 ÇT 3 ÇT 4 ÇT 5 ÇT 6 ÇT 7 ÇT 8 ÇT 9 ÇT 10 Çimento (gr) 450 450 450 450 450 450 450 450 450 682 Kum (gr) 450 450 450 450 450 450 450 450 450 682 Uçucu Kül(gr) 90 105 120 135 150 165 180 195 210 0 Pomza (gr) 105 120 135 150 165 180 195 210 225 0 Kalker-Alçı(gr) 255 225 195 165 135 105 75 45 15 0 Perlit(gr) 15 15 15 15 15 15 15 15 15 0 Su (ml) 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 Harç karışımı için kullanılan katkılardan kalker-alçı homojenizasyonu %65 kalker %35 alçıyla sağlanmıştır. Harç karışımı mikserle mekanik olarak yapılmıştır. Su/ çimento oranı 0,6 olacak şekilde harç karışımı hazırlanmıştır. Daha sonra mikser düşük hızda çalıştırılmış ve standart kum ardından da katkı maddeleri yavaş yavaş eklenmiştir. Tüm maddeler eklendikten 2 dakika sonra mikser durdurulmuş ve lastik sıyırıcı ile kabın çeperleri ve tabanına yapışan harç sıyrılmış ve kabın ortasında toplanmıştır. Mikser 60 sn yüksek hızda çalıştırıldıktan sonra kalıplara yerleştirilmiştir. Farklı derinliklere daldırılan nervürlü betonarme demirlerin korozyon potansiyelleri Cu/CuSO 4 referans elektroda göre 21 gün boyunca ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar Şekil 1, Şekil 2, Şekil 3, ve Şekil 4'de verilmiştir.
Şekil 1. 2 cm Derinlikteki Betonarme Demirinin Zamana Göre Potansiyel Değişim Grafiği Şekil 2. 4 cm Derinlikteki Betonarme Demirinin Zamana Göre Potansiyel Değişim Grafiği
Şekil 3. 6 cm Derinlikteki Betonarme Demirinin Zamana Göre Potansiyel Değişim Grafiği Şekil 4. 7 cm Derinlikteki Betonarme Demirinin Zamana Göre Potansiyel Değişim Grafiği
Sonuçlar ve Tartışma Bir beton harcının priz almaya başlamasından sonra yapılan potansiyel ölçüm değerlerinin kısa zamanda artarak yükselmesi o beton numunesinin korozyon özelliklerinin ne kadar iyi olduğunu gösterir. Buna göre potansiyel değerleri ile korozyon değerlerinin ters orantılı olduğu söylenebilir. Beton numunesi için potansiyel hızı ve miktarı ne kadar fazlaysa korozyona dayanımı da o kadar iyidir denilebilir. Yapılan çalışmalar sonucunda potansiyel ölçümleri, beton numunelerinde betonun prizleşmesine bağlı olarak artmaktadır. Bu artış beton içindeki katkı oranlarının farklı oluşuna göre değişim göstermektedir. Numunelerimizin tüm derinliklerdeki potansiyel değerleri 9.günden sonra -0.200 V dan daha büyük bir değere ulaştığından korozyon olma olasılığı %5 ten düşüktür.15.günden sonra potansiyel değeri en iyi değere ulaştığından %5 korozyon olma olasılığı da göz önünde bulundurularak bu numuneler için çok fazla korozyon değişimi beklenmemektedir. Ölçüm verileri grafiksel olarak değerlendirilmiş ve en yüksek potansiyele ulaşan ( korozyona en çok dayanan ) numuneler belirlenmiştir. Belirlenen numuneler için kullanılan uçucu kül ve pomza oranlarına bakılarak optimum değerlere ulaşılmıştır. Bu numunelerin agrega katılmamış beton numunesine göre korozyon özelliklerinin çok daha iyi olduğu görülmüştür. Uçucu kül ve pomzanın uygun oranlarda beton harcına agrega olarak katılması, hem endüstri atıklarının değerlendirilerek çevre kirlenmesinin önlenmesine hem de, beton teknolojisinde üretim maliyetlerinin düşmesine sebep olduğu için bu katkıların kullanılmasının gerekliliği tespit edilmiştir. Kaynaklar 1. Yalçın H., Gürü M., Çimento ve Beton Palme Yayıncılık, Ankara, 2006. 2. Usta, Reşit, Çimento ve Çimento Fabrikası, KTÜ Bitirme Tezi, Trabzon, Haziran 1979. 3. Her Yönüyle Hazır Beton, Genel Teknik Bilgiler Klavuzu, Türkiye Hazır Beton Birliği, 2000 4. TS 25, Tras, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1975 5. Tokyay, M., Cüruflar, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, Ankara, 2007 6. İğnebekçili A., Cüruflar, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, Ankara, 2007 7. Asan A, Galvanik Akım Metodu Kullanılarak Klor İyonları, Asetat İyonlar ve Uçucu Külün Beton İçindeki Çeliğin Korozyon Üzerindeki Etkilerinin Araştırılması Yüksek Lisans Tezi, Ankara, 1996 8. Türk standardı TS EN 196-1, 196-3